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基于第一性原理的稀磁半导体与铁基超导体特性及机制研究

一、引言

1.1研究背景与意义

凝聚态物理作为物理学的重要分支，专注于研究凝聚态物质的物理性质、微观结构及其相互关系。在凝聚态物理的众多研究对象中，稀磁半导体和铁基超导体因其独特的物理性质和潜在的应用价值，成为了该领域的研究热点。

稀磁半导体，是一种将磁性离子引入半导体晶格中而形成的新型功能材料，兼具半导体的电学特性和磁性材料的磁学特性。这种独特的性质使得稀磁半导体在自旋电子学领域展现出巨大的应用潜力。自旋电子学作为一个新兴的研究领域，旨在利用电子的自旋属性来实现信息的存储、处理和传输。稀磁半导体中的自旋极化载流子可用于制造自旋晶体管、自旋注入器等自旋电子器件，这些器件有望显著提高信息处理的速度和降低能耗，为解决摩尔定律带来的瓶颈效应提供重要解决方案。此外，稀磁半导体还在磁性传感器、磁光存储等领域有着广泛的应用前景，对于推动信息技术的发展具有重要意义。

铁基超导体则是另一类备受关注的材料，自2008年被发现以来，迅速成为凝聚态物理和材料科学领域的研究焦点。与传统的超导材料不同，铁基超导体具有较高的临界转变温度，有些体系的临界温度甚至超过了液氮温度（77K），这使得它们在实际应用中具有更大的优势。超导体的零电阻和完全抗磁性使其在能源传输、医疗成像（如核磁共振成像仪）、粒子加速器、量子计算等领域有着不可或缺的应用。例如，利用超导体的零电阻特性，可以实现无损耗的电力传输，大大提高能源利用效率；在医疗成像领域，超导磁体能够提供高分辨率的图像，有助于疾病的诊断和治疗。然而，尽管铁基超导体的研究取得了一定的进展，但其超导机制仍然是一个未解之谜，深入研究铁基超导体的超导机制，对于理解高温超导现象、开发新型超导材料具有重要的理论意义。

在研究稀磁半导体和铁基超导体的过程中，第一性原理计算发挥着至关重要的作用。第一性原理计算基于量子力学原理，从电子的基本相互作用出发，无需借助任何经验参数，就能够对材料的原子结构、电子结构、磁性和光学性质等进行精确的计算和预测。通过第一性原理计算，可以深入了解材料内部的微观物理机制，揭示材料性质与结构之间的关系，为材料的设计和优化提供理论指导。例如，在稀磁半导体的研究中，第一性原理计算可以帮助我们理解磁性离子与半导体基质之间的相互作用，预测磁性杂质的掺杂位置和浓度对材料磁性的影响，从而指导实验制备具有特定性能的稀磁半导体材料。在铁基超导体的研究中，第一性原理计算可以用于研究超导电子配对机制、费米面结构以及晶格振动等因素对超导性能的影响，为探索高温超导机制提供重要的理论依据。

1.2国内外研究现状

在稀磁半导体的研究方面，国内外学者已经取得了丰硕的成果。早期的研究主要集中在III-V族稀磁半导体，如(Ga,Mn)As体系。通过分子束外延等技术，研究人员成功制备出了高质量的(Ga,Mn)As薄膜，并对其磁性和电学性质进行了深入研究。发现Mn离子的掺杂可以在GaAs半导体中引入局域磁矩，通过载流子的介导作用，实现了局域磁矩的长程有序排列，从而使材料表现出铁磁性。然而，(Ga,Mn)As体系存在一些局限性，如居里温度较低（一般低于200K），制备工艺复杂且成本较高，这限制了其实际应用。

为了克服这些问题，研究人员开始关注其他体系的稀磁半导体，如II-VI族稀磁半导体（如ZnO基、CdTe基稀磁半导体）和I-II-V族稀磁半导体（如Li(Zn,Mn)As、(Ba,K)(Zn,Mn)?As?等）。对于ZnO基稀磁半导体，研究发现过渡金属（如Co、Ni、Cu等）的掺杂可以使其具有铁磁性，且居里温度可达到或超过室温，这为其在室温自旋电子学器件中的应用提供了可能。通过第一性原理计算，揭示了磁性起源于过渡金属离子的3d电子与O的2p电子之间的强杂化作用，以及RKKY（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）耦合机制在磁性耦合中的重要作用。在I-II-V族稀磁半导体中，Li(Zn,Mn)As和(Ba,K)(Zn,Mn)?As?具有独特的自旋和电荷分别注入机制，通过在Zn2?位掺杂Mn2?引入自旋，通过改变Li或Ba、K的含量来调控载流子浓度，实现了对材料电、磁性质的独立调控，且(Ba,K)(Zn,Mn)?As?的居里温度可高达180K以上，为稀磁半导体的研究开辟了新的方向。

在第一性原理应用于稀磁半导体的研究中，主要集中在计算材料的电子结构、磁性和光学性质，以及探究磁性起源和磁耦合机制等方面。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究人员可以精确地计算出稀磁半导体的能带结构、态密度和电荷密度分布等，从而深入了解材料的电子结