过渡金属V、Cr、Mn掺杂纳孔结构AlN半金属性的第一性原理研究

摘要

在传统的电子器件中我们仅利用电子的电荷属性或者自旋特性，很难将两者很好的融合到同一个器件中，而自旋电子器件将克服这一难题。目前研究最多的是稀磁半导体材料，它的自旋极化率可以高达100％，但是目前实验中合成的稀磁半导体材料居里温度达不到室温或无法形成异质结等原因使得稀磁半导体仍处于实验研究阶段，无法运用到具体的器件中。Cr掺杂纤锌矿AlN和CaN的居里温度虽然可以达到室温以上，但掺杂后容易形成第二相或者掺杂原子容易聚集，使得稀磁半导体的磁性来源尚不清楚，而纳孔晶相由于结构的特殊性能很好地克服以上问题。因此本文从理论上研究了过渡金属掺杂纳孔晶相AlN的性质，希望可以更好地解释稀磁半导体的磁性来源，同时也为实验上合成新的稀磁半导体材料提供理论指导
　　本文采用基于密度泛函的第一性原理赝势方法，广义梯度近似（GGA）下的PBE泛函研究了三个方面的内容，首先是AlN的新晶相——纳孔结构的电子结构特征及稳定性；其次是过渡金属V、Cr、Mn同浓度同位置掺杂对纳孔结构AlN磁电性能的影响；最后是Cr原子的不同掺杂浓度以及不同掺杂位置对纳孔结构AlN磁电性能的影响。结果表明：
　　1）纳孔结构AlN的稳定性间于纤锌矿AlN和岩盐矿结构AlN，并在一定压强条件下可实现纤锌矿AlN、纳孔结构AlN和岩盐矿AlN的相互转变；纳孔结构AlN仍然是宽禁带半导体，带隙值为2.671eV；
　　2）将过渡金属原子V、Cr、Mn原子掺杂纳孔结构Al12N12后，由于杂质原子在费米能级附近引入的杂质带，整个体系的导电性能提高，对 Al11CrN12和Al11MnN12的能带结构图和态密度图的分析表明两者均显示半金属性特征，其半金属能隙为0.495eV和0.028eV；但Al11VN12与其它两种掺杂不同，对其能带结构图和态密度图的分析结果表明它不显示半金属特征；
　　3）Cr原子在纳孔结构AlN（2?2?1）掺杂浓度的不同和掺杂位置的不同都会引起半金属带隙的变化。其中Cr掺杂浓度为4.17%、8.33%、12.5%、和16.7%的的超晶胞半金属带隙分别为0.731eV、0.495eV、0.296eV和0.503eV，没有明显的变化规律，但在一定范围内的浓度减小会增大半金属性的带隙；在三种相同浓度不同位置的Cr掺杂纳孔结构AlN后，发现掺杂原子间的距离越近半金属性越弱。

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1 绪 论

1.1自旋电子学简介

1.2半金属材料与稀磁半导体的研究现状

1.3本文研究的目的、意义及主要研究内容

2 第一性原理及计算软件简介

2.1引言

2.2 三个基本近似

2.3密度泛函理论（DFT）

2.4平面波赝势方法

2.5 CASTEP简介

2.6本章小结

3 V、Cr、Mn掺杂纳孔结构AlN的第一性原理研究

3.1引言

3.2理论模型与计算方法

3.3 计算结果及分析

3.4 本章小结

4 Cr掺杂浓度和Cr掺杂位置对纳孔结构AlN磁电性能影响的第一性原理研究

4.1引言

4.2理论模型和计算方法

4.3 Cr掺杂浓度对纳孔结构AlN电磁性质影响的计算结果与分析

4.4 Cr掺杂位置对纳孔结构AlN磁电性能的影响

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录