第一性原理研究Ti2CoSi中形变与原子无序对半金属和自旋无带隙半导体特性的影响

摘要

近二十年来，凝聚态领域的研究者对于自旋电子学器件的研制产生了浓厚的兴趣。通过第一性原理计算，人们预测了大量具有多种多样物理性质的材料.近些年，Ti-基 full-Heusler化合物被广泛地研究.第一性原理研究表明，Hg2CuTi型结构的Ti2CoSi化合物具有半金属特性和自旋无带隙半导体特性，即自旋向上能带具有一个零带隙，而自旋向下能带有一个直接带隙.
　　本研究主要内容包括：⑴具有Hg2CuTi型结构的full-Heusler Ti2CoSi化合物的最优化晶格常数为6.023A.态密度及能带结构显示在费米能级处自旋向上的能带具有零带隙，而费米能级处于自旋向下能带的带隙之中.计算得到的Ti2CoSi化合物的总磁矩为3.000μB，符合Mt=Zt-18的Slater-Pauling规则. Ti(A)原子、Ti(B)原子、Co原子和Si原子的磁矩分别为1.347μB、0.677μB、0.388μB和0.012μB。⑵对于均匀形变与[001]方向上的非均匀形变的研究表明：在晶格常数为5.821A至6.869A之间，Ti2CoSi化合物保持半金属特性，而在5.924A至6.027A之间，Ti2CoSi化合物显示自旋无带隙半导体特性；当非均匀形变发生在-3.5％至2.8%区间时，Ti2CoSi化合物保持其半金属特性，而即使是非常小的±0.1%非均匀形变也会破坏其自旋无带隙半导体特性。⑶考虑了Co-Si、Ti(B)-Co、Ti(A)-Si、Ti(A)-Co和Ti(B)-Si等五种原子无序。研究表明这五种原子无序都破坏了Ti2CoSi化合物的半金属特性和自旋无带隙半导体特性，并且自旋极化率和磁矩变化很大. Co-Si原子无序的自旋极化率仅为-0.1%. Ti(A)-Co原子无序的自旋极化率为52%.五种原子无序系统的总磁矩均小于有序结构下的总磁矩.对比总能量，Ti(A)-Co原子无序系统具有最低的总能量。所以，此种原子无序可能在制备Hg2CuTi型full-Heusler Ti2CoSi化合物的过程中最可能出现。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 自旋电子学

1.2半金属材料及其研究进展

1.3自旋无带隙半导体及其研究进展

1.4 本文的研究内容及意义

第二章 密度泛函理论与全势线性缀加平面波法

2.1 密度泛函理论

2.1.1 绝热近似

2.1.2 Hohenberg-Kohn定理

2.1.3 Kohn-Sham方程

2.1.4 交换关联能近似

2.2 全势线性缀加平面波方法

第三章 计算模型与参数

3.1 计算模型

3.2 计算参数

第四章 Ti2CoSi化合物的计算结果与讨论

4.1 电子结构与物理特性

4.1.1 结构优化与电子结构

4.1.2 半金属与自旋无带隙半导体特性

4.1.3 磁学性质

4.2 结构形变对物理特性的影响

4.2.1 均匀形变的影响

4.2.2 [001]方向的非均匀形变的影响

4.3原子无序对物理特性的影响

4.3.1 Co-Si的原子无序

4.3.2 Ti(B)-Co的原子无序

4.3.3 Ti(A)-Si的原子无序

4.3.4 Ti(A)-Co的原子无序

4.3.5 Ti(B)-Si的原子无序

第五章 结 论

参考文献

致谢

附录（攻读学位期间发表论文目录）