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自旋电子学也称为磁电子学,是一门结合磁学与微电子学的交叉学科。稀磁半导体材料能够同时利用电子的电荷和自旋属性,将半导体材料的电子输运性质和磁性材料的记忆特性结合起来,具有优异的磁、磁光、磁电性能。碳化硅(SiC)是IV-IV族宽带隙半导体材料,也是极具潜力的第三代半导体材料的代表,它拥有许多优越的物理特性,在高温、高频、高功率、光电子等器件和抗辐射微电子器件中有广阔的应用前景。本文通过基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,采用Materials Studio 5.0的CASTEP软件包研究了 2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的几何结构、晶格常数、电子结构及磁性质等,为实验提供理论基础及重要参考。具体研究内容如下:系统计算了 2H-SiC,3C-SiC和6H-SiC的晶体结构、能带结构、电子结构和磁性。系统研究了 A1掺杂,Vsi掺杂和Vc掺杂的6H-SiC材料磁性,分析了磁性存在的原因。计算结果表明2H-SiC、6H-SiC是间接带隙半导体材料,3C-SiC是直接带隙半导体材料;Vsi掺杂3C-SiC体系有磁性产生,主要由Si-3p的轨道电子和C-2p的轨道电子杂化产生;A1掺杂3C-SiC体系没有磁性产生;A1和空位共掺杂6H-SiC体系有磁性产生;Vc和Vsi单独掺杂6H-SiC体系有磁性产生,但磁性很弱;Vc与Vsi空位共掺杂6H-SiC体系有磁性产生,主要是由于Vsi的引入导致空位邻近的C原子产生强烈的自旋极化;A1掺杂6H-SiC体系没有磁性产生,A1和Vsi共掺杂6H-SiC体系存在磁性,磁性的产生不是来源于Al-3p,主要是由C-2p的自旋极化引起的。应用第一性原理计算研究了Cr掺杂4H-SiC及Al,Fe和Al,Mn共掺杂4H-SiC的电子结构和磁性。对于Cr掺杂4H-SiC体系,Cr3+离子取代Si4+离子引入空穴,导致了自旋极化,产生了2.40μB的自旋磁矩,局域磁矩主要是由掺杂的Cr原子提供。Cr掺杂4H-SiC体系铁磁态稳定,两个Cr原子局域磁矩通过Cro:3d-C:2p-Cr1:3d链为媒介进行耦合,载流子交换机制起到了关键的作用,计算结果表明Cr掺杂4H-SiC体系铁磁态与反铁磁态的能量差较大,表明Cr掺杂4H-SiC是一种有前途的自旋电子材料。在A1与TM(TM=Fe,Mn)共掺杂4H-SiC体系中,通过计算形成能,确定了掺杂体系最稳定的结构。A1单独掺杂4H-SiC体系没有产生任何自旋极化,而Al与TM(TM=Fe,Mn)共掺杂4H-SiC体系能产生自旋极化现象,局域磁矩主要由TM原子贡献,整个体系更倾向于铁磁态,因为TM原子的掺杂引入了空穴,TM-3d轨道电子和C-2p轨道电子之间的杂化形成了一个TM0:3d-C:2p-TM1:3d链,间接地促进了铁磁耦合。利用第一性原理计算研究了 N和Vsi共掺杂4H-SiC的电子结构和磁性。计算结果显示,N和Si空位单独掺杂4H-SiC体系都没有产生自旋极化,共掺杂时体系产生自旋极化。磁性耦合计算结果显示,体系在不同价电荷(中性电荷,负一价电荷,负二价电荷)情况下,体系铁磁态与反铁磁态相互竞争。Si空位的引入使得C原子的2p轨道的自旋极化与N原子的2p轨道发生耦合,这个耦合导致2个C原子的局域磁性轨道产生铁磁耦合。