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基于密度泛函理论对稀土元素(Gd、La、Y)掺杂材料的电子结构和磁性计算研究

颜开

  本文基于密度泛函理论,使用Materials Studio中的CASTEP第一性原理软件包,针对稀土元素Re(Re=Y、La、Gd)单掺、氧空位(Vo)与稀土元素Re(Re=Y、La、Gd)共存、稀土元素Re (Re=Y、La、Gd)分别与C和N共掺2×2×2氧化锌超胞的晶胞结构变化、电子结构、磁性能、光学性质进行计算。最后,通过分析与比较以期为实验研制p型特性的氧化锌稀磁半导体提供一定的指导作用,同时揭示相关现象背后的物理机制。经分析本文得出结论如下: 稀土元素Y单掺氧化锌超胞,磁矩为微弱的0.02μB。稀土元素La单掺氧化锌超胞,虽引起局部原子的自旋极化,但超胞并未出现磁性。稀土元素Gd单掺氧化锌超胞,磁矩显著提高为7μB,带隙为0.133eV。总体而言,Vo对稀土元素Re掺杂超胞磁性能的提高影响不大,超胞磁性主要来自掺杂稀土元素自身。这主要是半满4f电子层的作用,此外,稀土元素掺杂多表现为+3价,以施主形式存在,同时Vo作为另一种施主形式存在,这将造成ZnO半导体呈现n型特性,使得掺杂后超胞的费米能级不同程度地进入价带顶。因此,不论是单掺稀土元素,还是Vo和Re (Re=Y、La、Gd)共存时,氧化锌超胞都无法实现p型化。 稀土元素Re (Re=Y、La、Gd)与N共掺于氧化锌超胞,能有效增加超胞带隙,但对超胞磁矩的提高作用不大,超胞的磁矩仍然主要来源于掺杂稀土元素。经计算,Gd-N共掺氧化锌超胞具有较高磁矩6.96μB以及较宽的带隙0.608eV。这主要是由于N作为受主杂质存在,能有效吸收稀土元素产生自由电子。因此,Gd-N共掺氧化锌超胞有利于氧化锌半导体的p型化以及磁矩的提高。 稀土元素Re (Re=Y、La、Gd)与C共掺氧化锌超胞,能够有效的提高超胞磁矩,特别是Y-C、La-C共掺体系的磁矩相对Y、La单掺有明显提升,其中Gd-C共掺氧化锌超胞的磁矩高达8.0μB。但与C元素共掺后超胞带隙均消失。这主要是由于稀土元素Re (Re=Y、La、Gd)自身半径较大,从而极易失去价电子。其次,C原子半径大于N,而且C的原子序数比N小1,虽然C-2p轨道可容纳4个电子,但其对电子的束缚力没有N强。再次,C掺杂虽然能够吸收与降低由稀土元素产生自由电子,但其同时也会使空穴载流子数量的增加,从而提高体系导电性,最终引起体系带隙的消失。 此外,稀土元素Re元素掺杂主要影响ZnO超胞光学性质的能级位置以及峰的强弱,同时,使得掺杂体系在高能量区的光学性质发生显著变化。N、C替代O位的掺杂ZnO超胞使得体系在低能量区的光学性质有着明显的变化。这一变化主要是由于N、C掺杂在费米能级处产生杂质能级所致。……   
[关键词]:密度泛函理论;稀土元素;氧化锌;稀磁半导体;p型
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:南京信息工程大学2011年