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In2O3基稀磁半导体是继ZnO基和GaN基稀磁半导体之后研究的新的热点。In2O3可见光透光率极高(达到了85%),导电薄膜电阻率低等优良特性促使其成为光电子材料领域的杰出选择。现代工业化社会对薄膜材料需求巨大,从民用到军用,卫星显示器设备、显示器屏幕、触摸屏幕、等离子显示屏幕、传感器等领域得到广泛应用。目前,In2O3电子结构及掺杂过渡金属原子产生磁性已有比较多的研究,但是确切磁性起源的物理机理倍受争议,曾经有一些科学家利用密度泛函理论(DFT)研究In2O3的电子态密度、能带结构,给出了很多有意义的结论。纯净的In2O3没有磁性,掺杂的非金属元素也没有磁性,结合这两个没有磁性的因素得到的磁性体系对于揭示磁性起源很有启发意义。撰写本文的目的是要弄清楚In2O3掺杂的磁性起源原因,并为揭示金属氧化物磁性起源提供理论支持。
本文采用第一性原理密度泛函理论,利用VASP软件包计算了纯净In2O3态密度和能带结构,充分考虑了非金属元素掺杂各种形式(如间隙掺杂、位置替代掺杂、相同原子不同浓度掺杂计算、超原胞掺杂计算等),对比分析出合理的掺杂替代形式,采用分析电子局域函数(ELF-Electronic Location Function)及掺杂成键类型,掺杂前后各原子电子s,p,d轨道电子分布及转移路径,判断各电子轨道相互作用类别。为分析磁性提供数量化的电子轨道作用。对于解密金属氧化物磁性机理提供了新颖的研究方式。N-In2O3体系中,NN间p-p轨道相互作用是磁性产生的来源,并且近邻的2桥位In原子加强了N-N对之间的磁性耦合。对于ITO和OLED材料制备,控制电子自旋等具有一定参考价值。