【摘 要】
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近几年研究发现一些不掺杂的氧化物（ZnO、SnO2、TiO2）、氮化物（AlN、GaN、InN、BN）和硫化物（ZnS、CdS）半导体或绝缘体具有室温的d0铁磁性。作为一种重要的宽带隙半导体材料，TiO2的磁性被广泛研究。很多实验发现TiO2薄膜和纳米颗粒有室温的d0铁磁性。d0铁磁性的起源目前还存在争论。一些实验现象表明TiO2薄膜和纳米颗粒的d0铁磁性与氧空位缺陷和低的维度密切相关。例如，实验
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近几年研究发现一些不掺杂的氧化物（ZnO、SnO2、TiO2）、氮化物（AlN、GaN、InN、BN）和硫化物（ZnS、CdS）半导体或绝缘体具有室温的d0铁磁性。作为一种重要的宽带隙半导体材料，TiO2的磁性被广泛研究。很多实验发现TiO2薄膜和纳米颗粒有室温的d0铁磁性。d0铁磁性的起源目前还存在争论。一些实验现象表明TiO2薄膜和纳米颗粒的d0铁磁性与氧空位缺陷和低的维度密切相关。例如，实验发现TiO2薄膜的饱和磁化强度与薄膜厚度成反比，TiO2薄膜在氧气中烧结8小时后铁磁性消失。由此可以推测表面氧空位对TiO2的d0铁磁性起到关键作用。目前已经有对还原的TiO2（110）面的电子结构和磁学性质研究的报道，却没有对还原的TiO2（100）、（101）和（001）面相关研究的报道。因此，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了表面氧空位对TiO2（100）、（101）和（001）面电子结构和磁学性质的影响。取得了如下主要结果： 1．与体材料相同，正分比的TiO2（100）、（101）和（001）面都是非磁性的。 2.表面氧空位在导带底附近产生自旋劈裂的缺陷态，缺陷态主要是由Ti的3d轨道提供的。一个氧空位在TiO2（100）和（101）面产生2.0B的磁矩,在（001）面产生1.1B的磁矩。对于（100）和（001）面，磁矩主要来源于自旋氧空位周围近邻的Ti原子的3d轨道。对于（101）面，磁矩主要来源于第二和第三Ti原子层的原子的3d轨道。 3.两个氧空位产生的磁矩铁磁耦合的能量小于反铁磁耦合的能量。计算的态密度和自旋极化密度显示Ti原子间存在的d-d杂化作用导致了氧空位周围的Ti原子的极化方向是平行排列的，这样两个氧空位之间的Ti原子都被极化。两个氧空位周围重叠的Ti原子的极化能有效的传递两空位产生磁矩间的长程铁磁耦合。 综上所述，实验观测到的TiO2薄膜或纳米粒子的铁磁性是其表面的氧空位所产生的。
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