半金属铁磁体的电子结构和磁性研究

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传统的电子元件,比如二极管和三极管,它们的信息载体都是电子电荷,电子的自旋没有被利用。近些年来,半导体自旋电子学(spintronics)的研究表明,稀磁半导体(DMS)能够同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的处理和存储。但目前的关键问题是自旋极化电子注入到半导体材料中的效率很低,这就需要寻找高自旋极化度的磁性材料。半金属(half-metallic)铁磁体有着较高的居里温度和接近100%的高自旋极化率,因此,它无疑将会成为理想的半导体自旋电子注入源。随着科学技术的发展,计算机的性能得到了极大的提高,使得通过计算机模拟设计新型功能材料成为可能。本文的目的是借助计算机模拟预测新的半金属铁磁体。我们的工作是利用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势方法(PWPP)系统地对二元化合物CrS和CrP及闪锌矿(zincblende)相半导体CdTe掺杂过渡金属(V、Cr及Mn等)的电子结构和磁性进行研究。对于二元化合物CrS , 我们的计算发现zincblende 相的CrS 的自旋向上(majority-spin)的电子的能带是金属性的,而自旋向下(minority-spin)电子的能带在费米(Fermi)面附近有一个明显的能隙(Energy gap)。这个特性在原胞的晶格常数变化的-3%-20%范围内保持不变。并且,一个CrS分子的磁矩是4.000 μB。所以,我们从理论上预言了zincblende相的CrS是一个比较稳定的半金属铁磁体;而CrP的计算表明,zincblende相的CrP虽然也具有半金属铁磁性,但其半金属铁磁性在晶格常数变小时就消失了,所以,zincblende相的CrP只能算得上一个准半金属铁磁体。Zincblende相半导体CdTe掺杂过渡金属V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等的电子结构和磁性的计算表明,只有Cd0.5V0.5Te和Cd0.5Cr0.5Te具有半金属铁磁性,每个原胞的磁矩分别为3.000μB和4.000μB。它们的半金属铁磁性主要由d-d交换作用和p-d杂化作用决定。
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