AlN基稀磁半导体的第一性原理计算：从缺陷到掺杂的磁电性质调控.docxVIP

AlN基稀磁半导体的第一性原理计算：从缺陷到掺杂的磁电性质调控

一、引言：自旋电子学视角下的AlN基稀磁半导体研究

（一）研究背景与意义

在当今信息技术飞速发展的时代，电子器件的性能提升与创新一直是研究的核心热点。传统的电子器件主要依赖于电子的电荷属性来实现信息的处理和传输，例如在常见的半导体集成电路中，电子的定向移动形成电流，通过控制电流的大小和方向来完成各种逻辑运算和数据存储操作。然而，随着科技的不断进步，传统电子器件逐渐面临着性能瓶颈，如功耗过高、集成度难以进一步提升等问题。

稀磁半导体（DMS）的出现，为解决这些问题带来了新的曙光。它首次成功地将电子的电荷与自旋自由度巧妙地结合在一起，实现了两者的协同利用。这种独特的性质使得稀磁半导体在众多领域展现出了颠覆性的应用潜力。以磁存储领域为例，传统的磁存储技术如硬盘，其存储密度的提升逐渐变得困难，且读写速度也受到一定限制。而基于稀磁半导体的磁存储器件，利用电子自旋方向来表示信息，具有更高的存储密度和更快的读写速度，有望成为下一代磁存储技术的核心。在自旋逻辑器件方面，稀磁半导体能够实现基于自旋的逻辑运算，相较于传统的基于电荷的逻辑运算，具有更低的功耗和更快的运算速度，为构建高性能、低功耗的计算机芯片提供了可能。

AlN作为宽禁带半导体的杰出代表，拥有一系列令人瞩目的优异特性。其热稳定性极佳，能够在高温环境下保持稳定的物理和化学性质，这使得AlN基器件在高温应用场景中具有明显优势，如航空航天、汽车发动机控制系统等高温环境下的电子设备。同时，AlN还具有出色的化学惰性，不易与其他物质发生化学反应，这保证了其在复杂化学环境中的可靠性和稳定性，可应用于化学传感器、耐腐蚀电子器件等领域。然而，AlN本征状态下并不具有磁性，这在一定程度上限制了其在自旋电子学领域的直接应用。

为了突破这一限制，科研人员将目光聚焦在通过缺陷工程与异质原子掺杂的方法，来构建具有室温铁磁性的AlN基DMS。缺陷工程是通过在AlN材料中引入特定的缺陷，如空位、间隙原子等，来改变材料的电子结构和磁性质。而异质原子掺杂则是将具有磁性的原子或其他能够影响磁性质的原子引入AlN晶格中，从而赋予AlN磁性。这种通过人工手段构建室温铁磁性AlN基DMS的研究，成为了当前突破自旋电子器件实用化瓶颈的关键路径。一旦成功实现，将为自旋电子学领域带来革命性的变化，推动信息技术朝着更高性能、更低功耗的方向发展。

（二）研究目标与方法

本研究旨在深入探究AlN基稀磁半导体的微观结构与宏观性能之间的内在联系，基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，对本征AlN、空位缺陷体系及M（Mg/Cu/Zn/Pd）掺杂体系展开系统且全面的研究。

密度泛函理论（DFT）是目前凝聚态物理和材料科学中广泛应用的理论方法，它将多电子体系的基态能量表示为电子密度的泛函，通过求解Kohn-Sham方程来获得体系的电子结构和相关性质。这种方法能够在考虑电子之间相互作用的同时，大大简化计算量，使得对复杂材料体系的理论研究成为可能。

具体而言，本研究将首先对本征AlN进行深入研究，精确计算其电子结构，包括能带结构、电子态密度等，这些参数能够反映AlN中电子的能量分布和运动状态，从而揭示其本征的电学性质。同时，对本征AlN的光学特性，如介电函数、吸收系数等进行计算，以了解其在光与物质相互作用方面的特性。

针对空位缺陷体系，研究不同类型的空位缺陷（如铝空位、氮空位）对AlN电子结构和磁性质的影响。通过计算缺陷形成能，判断各种空位缺陷在AlN中的稳定性，分析缺陷引入后体系磁矩的变化以及磁性产生的机制。

对于M（Mg/Cu/Zn/Pd）掺杂体系，重点探究不同掺杂原子种类、掺杂浓度对AlN电子结构、磁性质及光学特性的调控规律。分析掺杂原子与AlN晶格之间的相互作用，确定掺杂体系中磁性的起源，寻找能够增强室温铁磁性的最佳掺杂条件。通过对这些体系的系统研究，揭示AlN基稀磁半导体的磁性起源与调控机制，为实验制备具有高性能的AlN基稀磁半导体材料提供精准的理论参数支撑，指导实验研究的方向，加速AlN基稀磁半导体在自旋电子学领域的实际应用进程。

二、理论框架与计算方法

（一）基础理论体系

本研究采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，对AlN基稀磁半导体体系进行深入探究。密度泛函理论的核心在于将多电子体系的基态能量表述为电子密度的泛函。在实际计算中，通过求解Kohn-Sham方程来获取体系的电子结构和相关性质。其中，电子交换关联能对体系的性质起着关键作用，本研究采用广义梯度近似（GGA）来处理这一能量项。广义梯度近似相较于局域密度近似（LDA），不仅考虑了电子密度