LiZnP和LiBeAs基型稀磁半导体的第一性原理研究

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稀磁半导体兼具磁性和半导体特性,在自旋电子领域具有广泛的应用前景。与传统的II-V族和III-V族稀磁半导体相比,I-II-V族基新型稀磁半导体能够实现自旋和电荷注入机制的分离,且磁性离子的固溶度不受限制,这为稀磁半导体的研究提供了新方向,也为制备居里温度高于室温的材料和研究磁性来源机理提供了可能。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,分别对V掺杂Li Zn P的磁电性质和V、Cr、Mn掺杂LiBeAs的光电性质进行了计算分析,研究结果表明:(1)采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对新型稀磁半导体Li1±y(Zn1-xVx)P(x=0,0.0625;y=0,0.0625)体系进行几何结构优化,计算并分析了各体系的电子结构,形成能,半金属性及磁性。结果表明,新型稀磁半导体Li Zn P可通过掺入V和改变Li的化学计量数来实现自旋和电荷注入机制的分离。单掺V引入了自旋极化杂质带,表现出强的半金属性,sp-d杂化导致体系产生2.92μB的净磁矩。体系的性质还受Li的化学计量数的影响,Li空位时,半金属性和磁性有所减弱,但居里温度最高;Li填隙时,杂化作用增强,形成能最低,导电能力最强,磁性最大。(2)本征态的LiBeAs为p型直接带隙半导体,不显磁性。V的掺入使体系变为间接带隙半导体,表现出较强的半金属铁磁性,产生了sp-d杂化并使得体系净磁矩为4.2μB,其净磁矩是Li(Be,X)As(X=V,Cr,Mn)中最大的。Li不足时,半金属能隙最大,半金属性最稳定,形成能最低,结构最稳定。Li过量时,体系表现为金属性,导电能力加强。表明新型稀磁半导体Li1±y(Be1-xVx)As可通过V的掺入和改变Li的化学计量数来实现磁电分离调控。对比光学性质发现,纯LiBeAs的介电函数只有价带电子向导带跃迁产生的介电峰,复折射率函数表明体系对于低频电磁波的吸收强度很弱,V单掺时,介电峰峰值减小并出现了新的介电峰,对低频电磁波的吸收能力增强,Li不足时,新介电峰消失,复折射率函数图像与纯LiBeAs相似,Li过量时,新介电峰重新出现且向高能区移动,表明Li1±y(Be1-xVx)As体系的光学性质会受到V的掺杂和Li的化学计量数的影响。(3)纯LiBeAs中Li-As为离子键,Be-As为共价键,单掺Cr时,体系变为间接带隙半导体,表现出半金属性,产生p-d杂化导致体系产生净磁矩,Li-As键和Be-As键的键长均变小,键合能力增强,电子转移加剧并产生强于Be-As的Cr-As。Li不足时,半金属能隙减小,形成能最低,产生sp-d杂化,净磁矩最大,为4.19μB,Cr-As的电荷重叠布局数最大,键长最小,电子间相互作用最强,说明改变Li的化学计量数可以改变掺杂轨道和体系的性质。Li过量时,体系表现为金属性,导电能力加强,sp-d杂化减弱,净磁矩减小,键长变大,电子重叠布局达到变小。表明新型稀磁半导体Li1±y(Be1-xCrx)As可通过Cr的掺入和改变Li的化学计量数来实现磁性和电性的分离调控。对比光学性质发现,单掺Cr,出现了新的介电峰,体系对低频电磁波的吸收能力得到提高,Li不足时,新介电峰峰值增大,Li过量时,介电函数图像和复折射率函数均与纯LiBeAs相似,表明掺杂体系的光学性质会受到Cr的掺杂和Li的化学计量数的影响。(4)单掺Mn时,体系也为间接带隙半导体,表现出半金属铁磁性,产生p-d杂化。Li不足时,半金属性加强,结构最稳定,p-d杂化作用减弱,净磁矩减小。Li过量时,体系表现为半导体性质,产生的sp-d杂化较弱。表明Mn掺杂LiBeAs新型稀磁半导体可以通过Mn的掺入和改变Li的化学计量数来实现磁性和电性的分离调控。通过对比光学性质发现,Mn掺杂后介电峰向高能区移动,峰值减小并产生新介电峰,同时提高了体系对低频电磁波的吸收。Li不足时,新介电峰峰值增大,折射率增大。Li过量时,新介电峰重新出现并向低能区移动。通过分析发现,Li Zn P和LiBeAs可通过掺入磁性元素对体系的磁性进行调控,虽然不同磁性元素对于体系磁性的贡献不同,但是均提高材料的磁性、稳定性以及对低频电磁波的吸收能力,而通过改变Li的化学计量数来调控体系的电性,改变掺杂轨道,提高体系中的化学键的键合能力,使电磁波传播的介质发生变化,从而影响其折射率。这对于进一步实验研究提供了参考意义。
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