《晶格缺陷在ZnO基d0鐵磁體中所起作用的理論研究》是依託中國礦業大學，由蓋艷琴擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：晶格缺陷在ZnO基d0鐵磁體中所起作用的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：蓋艷琴
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
明確晶格缺陷對氧化鋅基d0鐵磁性材料中的高溫磁有序現象的作用，對於闡明稀磁半導體中的磁耦合機制及製備高居里溫度的自旋電子材料具有重要意義。本課題擬採用非局域的禁止雜化函式的方法，研究未摻雜ZnO中具有O的2p軌道特徵的晶格缺陷及C、N摻雜的ZnO中占據氧格位的雜質缺陷X(X=N2、NO、CO、N、C、C2)對ZnO基d0鐵磁性的貢獻，研究外加靜水壓、膜面內張、壓應力及共摻雜等方法對缺陷性質及缺陷間磁耦合作用強弱的影響規律。其目的是從理論上找到對磁性有直接貢獻的缺陷的種類，確定影響缺陷間磁耦合作用的因素，並結合ZnO材料的摻雜特性，分析得出缺陷間鐵磁耦合作用機制，為設計居里溫度高於室溫的自旋電子材料提供理論依據。
結題摘要
d0-鐵磁性的研究為尋找高溫自旋電子材料開闢了新途徑。為了製備居里溫度高於室溫的鐵磁性材料，有必要闡明晶格缺陷在氧化鋅基d0-鐵磁體中所起的作用和缺陷間的磁耦合機制，並探索調製缺陷間磁耦合作用類型及強度的途徑。我們採用基於密度泛函理論的第一性原理計算方法，重點研究了應力對氧化鋅中缺陷的形成能和離化能的影響規律；對不同荷電狀態的缺陷的磁矩的影響規律以及對缺陷間磁耦合作用類型、強度的調製規律。對氧化鋅中的氮受主：壓力會增加氮在氧化鋅中的固溶度，張力會降低受主的離化能，使受主缺陷波函式更加非局域化。張力使受主間鐵磁耦合增強，而壓力使磁矩間反鐵磁耦合增強；對氧化鋅中帶一個正電荷的氧空位缺陷：壓應力使缺陷磁矩增加；在低氧空位濃度時，磁矩間為反鐵磁耦合且加壓應力，耦合作用增強；在高空位濃度時，隨著應力類型由張到無到壓變化，磁矩間耦合表現為反鐵磁作用減弱，變為弱鐵磁耦合，當施加-15%應力時，表現為順磁性。對閃鋅礦結構氮化鎵中氮空位:氮空位只在雙軸壓力作用下才有磁矩，且磁矩隨壓力增加而增大；磁矩間呈反鐵磁耦合，且耦合強度隨壓力增加而增強，與氮空位濃度無關，只是在高空位濃度時的耦合強度比低空位濃度時在同等應力作用下小得多。所以，雙軸應力對閃鋅礦結構氮化鎵中缺陷磁性的調製規律與鉛鋅礦結構規律相一致。對氮化鎵及氧化鋅中帶不同電荷的鎵空位和鋅空位:壓力使得帶不同電荷鎵空位的磁矩變大，而使得鋅空位的磁矩變小；張力使得兩種材料中缺陷磁矩都減小。對不帶電的鎵空位,無論施加張還是壓應力，磁矩間總是反鐵磁耦合，且隨著壓力增加，反鐵磁作用增強；對帶一個負電荷的鎵空位,始終表現為鐵磁耦合，且無論加壓還是張力，耦合強度稍有變化；對帶兩個負電荷的鎵空位,始終表現為鐵磁耦合，且加壓耦合作用增強。對帶不同電荷的鋅空位加壓都表現為反鐵磁耦合；對中性的鋅空位,加張力，反鐵磁耦合增強；而對帶負電荷的鋅空位,加張力，鐵磁耦合減弱。該調製規律可用能帶耦合模型來定性解釋。本課題闡明了寬頻隙半導體中缺陷對d0-鐵磁性的作用具有雙重性，既能提供磁矩又能作為長程磁耦合作用的媒介；闡明了應力對缺陷濃度及載流子濃度的調製作用，調製效果與缺陷的電子特徵有關。我們的研究結果證明應力是調製半導體中缺陷磁矩的耦合類型和強度的有效手段，且調製效果與缺陷的荷電狀態及半導體材料的種類有關，為設計居里溫度高於室溫的鐵磁性材料指明了方向。
