基于反铁磁半导体的稀磁特性研究

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自旋电子学材料作为一种同时利用电子的自旋和电荷两种属性的新型功能材料有望在未来制备出性能更加优异的器件。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法系统地研究了部分过渡族金属原子掺杂反铁磁半导体SrTcO3、SrMnO3的磁性、电子结构、形成能以及居里温度等。研究了不同浓度的Mn掺杂SrTcO3的磁性、电子结构、形成能等,并运用平均场理论计算了掺杂体系的居里温度。发现将Mn原子纳入到SrTcO3的晶格体系中打破了SrTcO3中磁性亚晶格的长程有序性排列,在材料体系中诱导出了稀磁特性。Mn原子与Tc原子之间强烈的轨道杂化作用是导致体系表现出磁性的主要原因。同时O、Mn和Tc原子间还存在超交换作用机制,O原子作为中介起到了传递磁矩的作用。另外Mn原子的掺杂实现了材料体系由半导体态向金属态、自旋无能隙半导体态以及半金属态等性质的改变。平均场理论的计算结果表明,微量掺杂过程中材料体系的居里温度随着Mn掺杂量的增加而降低,但是均远高于室温。研究了Fe和Co原子掺杂SrTcO3体系的磁性、电子结构、形成能以及居里温度等。发现SrTc1-xFexO3(x=3.125%)和SrTc1-xCoxO3(x=3.125%)的超胞在不同结构下均分别具有1μB和2μB的总磁矩,磁性来源于Fe(Co)原子与Tc原子之间强烈的轨道杂化作用。同时两个掺杂体系的材料均表现出较高的自旋极化率。Fe和Co元素的微量掺杂没有明显地改变体系的磁转变温度。研究了部分过渡族金属原子(TM=V,Cr,Tc,Fe,Co)掺杂α和β相SrMnO3体系的电子结构、形成能、磁性质和居里温度等。发现除了Co掺杂体系外,其他原子的掺杂体系均具有较高的热力学稳定性,实验中合成的可能性较大。不同磁性原子掺杂SrMnO3的超胞总磁矩呈现出一定的规律性,大小等于掺杂原子与Mn原子族数差的绝对值。这种稀磁特性主要由掺杂原子和与之最近邻和次近邻的Mn原子间的轨道杂化作用引起的。另外,所有的掺杂体系均表现出半金属特性。各个掺杂体系的居里温度计算值均在SrMnO3的奈尔温度附近,且与掺杂原子引入的多余电子或空穴有关。
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