Ag掺杂ZnO稀磁特性的第一性原理研究

自从20世纪80年代巨磁电阻效应发现以来，磁性材料受到了科研工作者们的广泛关注，自旋电子学这门学科也由此而逐渐形成，作为一种颇具物理内涵和潜在应用价值的新型半导体材料，稀磁半导体已成为了自旋电子新领域的一个研究热点，寻找具有室温铁磁性的稀磁半导体材料和解释铁磁性的产生根源是目前国际工作者所关注的重要课题。ZnO是典型的Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体材料，激子束缚能高达60meV，能够实现室温高紫外发光，并且相关理论预言ZnO基磁性半导体的居里温度达到室温以上；尤其是其具有物理化学性质稳定、原料丰富、价廉无毒、易掺杂以获得磁性等诸多优点。因此，ZnO基稀磁半导体成为了人们广泛关注的焦点。 本文基于第一性原理，采用密度泛函理论（DFT）的平面波超软赝势方法，并选取广义梯度近似（GGA）作为交换关联近似，计算了Ag掺杂纤锌矿ZnO及Ag-X（C或N）共掺杂ZnO的自旋能带结构、态密度、分波态密度、磁矩分布、电子布居、体系能量等，分析了Ag掺杂纤锌矿ZnO电子结构和磁学性质，并探讨了非金属元素（C或N）的引入对Ag掺杂纤锌矿ZnO的稀磁特性的影响。得到的主要结果如下： （1）Ag的掺入导致晶格常数稍有增大，这主要归因于Ag离子与Zn离子半径上的差别。Ag掺杂ZnO的能带和态密度均显示，Ag掺杂使其带隙减小，并且杂质Ag原子3d态电子在带隙中引入了新的杂质带，分析分波态密度发现该杂质带与O2p态有较强杂化作用。 （2）Ag掺杂ZnO的带隙较纯纤锌矿ZnO减小，能带在费米面附近出现了完全自旋劈裂，出现了半金属铁磁性，是有利于100%自旋极化载流子的理想注入源，半金属能隙为0.11eV，磁矩主要来自Ag原子及周围O原子的p-d交换相互作用。 （3）通过对不同几何构形的优化计算发现，Zn14O16Ag2体系中，随着掺杂原子对之间的距离由近及远，掺杂体系的总磁矩有着逐渐增大的趋势，说明当掺杂Ag原子之间的距离较近时不利于铁磁性的形成，而且当Ag原子之间的掺杂距离适宜时，可以得到半金属铁磁体，因此在实验上制备该材料时应采取一些措施避免Ag原子的团簇现象。 （4）ZnO：Ag-X体系的研究表明：在ZnO：Ag-X体系中由于C、N两种高电负性元素的引入，使Ag3d态和O2p态电子之间的交换相互作用有所减弱，导致了磁性的小幅降低；N或C的引入可增加其铁磁稳定性，并通过理论预测得知C的引入可能使其居里温度达到室温以上。