论文部分内容阅读
信息技术的应用为军事、航天、医疗等各领域的运作提供了便捷,而人们对自旋电子学理论的研究拉开了信息技术蓬勃发展的序幕。自旋电子学器件的问世促进了信息存取技术的革新,目前自旋电子学器件的制备工艺相当成熟,关键是在于寻找廉价、稳定的半金属磁性材料。以往制备自旋电子器件的材料大部分集中于传统的半金属块体材料,大数据操作对存储速度的高要求,使得开发新型的自旋材料迫在眉睫。作为二维纳米材料原型的石墨烯,以其独特的结构和优异的物理性能在材料学中得到了广泛的应用。关于二维材料的研究已经囊括了半导体、半金属、金属和拓扑绝缘体等领域,但它们大多数是无磁或稀磁,在制备纳米自旋电子学器件的实践中面临巨大挑战。研究者们发现二维本征半金属材料种类少、不稳定,近几年的研究也表明,可以通过吸附、掺杂和引入缺陷等方式进行修饰。本论文通过大量调研和分析认为,过渡金属掺杂半导体单层薄膜结构有望在新型二维半金属材料方面获得突破,二维半导体在自旋电子学领域蕴含潜在应用价值。密度泛函理论以量子力学为基本原理,是目前研究固体材料电子结构和基态物理性质的强势工具。密度泛函理论既可对未知材料的性质进行理论预测为实验提供参考,同时也可探讨实验已合成材料的微观机理。本论文根据密度泛函理论的第一性原理计算方法并借助高性能计算机对过渡金属Cr掺杂半导体CdTe和ZnTe单层膜的电子结构和磁性性质进行了深入研究。我们对CdTe、ZnTe单层结构进行4×4扩胞处理,并采用替位式掺杂模型,用Cr原子取代单层膜结构不同位置的Cd/Zn原子。具体的工作内容及结论包括以下几个方面:1.探究了过渡金属Cr掺杂CdTe和ZnTe单层结构体系的几何结构参数、形成能和结合能。计算结果表明,Cr掺杂CdTe和ZnTe单层薄膜的不同掺杂构型均具有良好的热力学稳定性。2.分析了二维CdTe、ZnTe的原体系与掺杂体系的能带结构、总态密度（DOS）和分波态密度（PDOS）,结果表明这两种半导体薄膜的电子结构对掺杂Cr原子非常敏感。Cr原子掺杂在带隙中引入了单一自旋极化方向的掺杂态,该掺杂态穿过费米面表现为金属性,另一自旋方向的能带结构存在着明显的带隙表现为半导体性,这是典型的半金属材料的能带结构。3.统计了掺杂体系的总磁矩和Cr原子的局域磁矩发现,二维CdTe、ZnTe结构原始磁矩几乎为零,而通过掺杂引入Cr原子与半导体的Te之间进行杂化使得体系展现出了弱铁磁序。4.计算了四个Cr原子同时掺杂的组态,讨论了铁磁序和两种不同反铁磁序的交换耦合常数与磁化能,并根据平均场近似原理预测出Cr4Cd12Te16、Cr4Zn12Te16两体系的居里温度均高于室温,表明此种掺杂材料磁性相当稳定。本论文研究工作的主要意义是通过二维半导体掺杂得到了稳定的半金属磁性材料。与固有半金属性材料相比较,掺杂得到的半金属材料保留了半导体材料的稳定性,保证了自旋电子学器件稳定工作,也突破了二维固有半金属性质材料的局限性,这将成为寻找制作自旋电子学器件材料的一个新的来源。