N空位、Ga空位对GaN∶Mn体系电磁性质和光学性质影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法分别计算了VGa和VN距掺入Mn原子为近邻、次近邻、远近邻各3种情况下GaN体系的电子结构和光学性质,分析比较了空位的不同位置对Mn掺杂GaN体系磁性的影响。计算结果表明,Mn掺杂会导致GaN体系带隙增大且体系表现为半金属铁磁性;VN的存在会增强缺陷复合物体系的铁磁性,且随着VN相对杂质Mn距离越近,体系总磁矩增加;而VGa的存在会降低缺陷复合物体系的铁磁性,且随Ga空位相对杂质Mn距离越近,体系总磁矩减少。不同位置的VGa和VN均会导致缺陷复合物体系主吸收峰和光吸收边相对于单Mn掺杂而言向低能方向移动,出现红移现象。     

Co掺杂钙钛矿SrTiO3磁性机理的理论研究

采用第一性原理LDA+U方法研究了Co掺杂SrTiO3的磁性机理,对不同掺杂体系的基态能量、电子结构、态密度、居里温度及缺陷替位能进行了计算分析。结果表明,无氧空位的掺杂体系呈现出反铁磁性或顺磁性,而有氧空位掺杂体系却表现出铁磁性;掺杂体系的晶胞磁矩主要来自于Co离子局域磁矩的贡献;随着Co和氧空位浓度的增加,掺杂体系表现出室温铁磁性;Co离子和氧空位的共同作用降低了体系的缺陷替位能;掺杂体系中Co离子之间的铁磁性耦合可以用束缚磁极子机制解释。     

Mn掺杂浓度对Mn-N共掺ZnO电子结构及磁性的影响

采用第一性原理的超软赝势法,分别计算单掺杂Mn、Mn-N按1∶1和2∶1共掺杂ZnO掺杂体系的形成能、能带结构、态密度以及铁磁性。计算结果表明,单掺Mn并不能得到稳定的ZnO,Mn-N共掺会形成p型ZnO。相对Mn-N以1∶1共掺(Mn掺杂浓度6.25%),Mn-N以2∶1共掺(Mn掺杂浓度12.5%)具有更低的形成能,更高的化学稳定性。进一步对ZnO掺杂体系的磁性研究表明,单掺Mn及Mn-N共掺均使ZnO体系呈现铁磁性,其磁性主要来源于Mn3d态电子;在Mn-N以2∶1共掺ZnO体系中,由于Mn掺杂浓度提高,导致总磁矩增加,铁磁性增强明显。     

不同价态的Mn和点空位对ZnO体系光学性能的影响

目前,因为实验上点空位的精确测量调控对ZnO:Mn体系物理性质的影响具有挑战性,而第一性原理解决此问题有一定的优势,所以用第一性原理研究了Mn2+/3+/4+掺杂和氧空位或锌空位(VO/VZn)对ZnO的结构稳定性、电子结构和光学性质的影响.研究结果显示,所有体系在富氧条件下的形成能比富锌条件下的形成能低,说明ZnO:Mn在富氧条件下容易形成稳定结构.在Mn2+掺杂的含VO/VZn的ZnO体系中,VO价态越低,体系形成能越低,结构越稳定;而对于VZn价态则相反.在Mn2+/3+/4+掺杂的含中性空位(VO 0/VZn 0)的ZnO中,Mn的价态越高,体系形成能越低,结构越稳定.Mn2+掺杂的含VO 0/VZn 0的ZnO体系的光学带隙变窄,在可见光范围内吸收光谱红移.其中,VO 0杂质能级和费米能级部分重叠形成陷阱效应,更有利于产生电子?空穴对.此外,含VO 0体系在360～509 nm内的吸收强度最大,而含VZn 0体系在509～760 nm范围内的吸收强度最大.ZnO:Mn体系对可见光的响应主要由Mn、Zn和O离子之间的sp?d相互作用和Mn掺杂、VO 0/VZn 0引导的体系自旋极化引起.因此,含VO 0/VZn 0的ZnO:Mn体系是有较好应用前景的光催化材料.     

Mn、Li共掺ZnO稀磁半导体的制备与铁磁性研究

采用固相陶瓷烧结法制备了Mn、Li共掺的ZnO稀磁半导体材料,实现了室温铁磁性。分别用XRD、XPS和VSM对各样品进行了结构测量和磁性能测量,分析了Mn、Li掺杂浓度对ZnO基稀磁半导体的影响。结果表明,在相同的外磁场下,随着Mn掺杂浓度的增加,陶瓷的磁化强度增大。但较高的Li掺杂浓度可能会形成更多填隙离子,减少空穴浓度,最终使材料的室温铁磁性变差。     

Mn掺杂ZnO稀磁半导体的化学合成及磁性研究

采用化学方法制备了名义组分为Zn0.993Mn0.007O的Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料,并研究了退火温度(Ts＝400,600,800℃)对其结构和磁性的影响.结果表明:在退火温度低于600℃条件下,合成的样品为单一纤锌矿结构的ZnO颗粒材料;当退火温度为800℃时,合成的样品中除了纤锌矿结构ZnO外还观察到ZnMnO3第二相的存在.磁性研究表明:经过600℃退火后的样品,其室温铁磁性最强,而经过800℃退火后的样品,其铁磁性几乎消失,并表现为增强的顺磁性.结合对样品的Raman光谱和紫外-可见吸收光谱的分析,表明Mn元素进入了ZnO晶格中并替代了ZnO中的Zn离子. 样品的室温铁磁性是源于(Zn,Mn)O的本征特性,并排除了样品中第二相导致其具有室温铁磁性的可能性.     

半掺杂Pr0.5Ca0.5Mn1-xCrxO3体系的电荷有序和磁电阻效应

研究了钙钛矿型半掺杂锰氧化物Pr0.5Ca0.5Mn1-xCrxO3(x=0、0.03、0.05、0.07、0.10)体系的输运性质、电荷有序和磁电阻效应.结果表明,Cr离子替代Mn位,增强了Pr0.5Ca0.5MnO3的铁磁性、金属电导和磁电阻值.在低掺杂情况下(x=0.03、0.05),Cr3 的掺杂使体系的铁磁性增强,当x＞0.05时(x=0.07、0.10),体系的铁磁性随x增大缓慢减弱.同时,随着掺杂量的增大,体系中的电荷有序相逐渐被抑制,磁电阻值也呈下降趋势,表明电荷有序相与磁电阻效应相关.Cr掺杂引起的各种磁耦合作用,包括Mn3 与Cr3 的铁磁双交换作用,Cr3 -Cr3 、Mn4 -Mn4 、Cr3 -Mn4 之间的反铁磁超交换耦合作用及相分离现象是产生上述结果的主要原因.     

ZnO和Y掺杂ZnO薄膜磁性的研究

用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法和模拟缺陷结构的超原胞的方法,通过计算比较ZnO、Zn15Y1O16Zn16O15、Zn15O16和Zn14Y1O16五个体系的自旋极化电子态密度,分析了O空位和Zn空位两种点缺陷对Y掺杂ZnO薄膜磁性的贡献,计算结果表明,氧化锌和钇掺杂氧化锌薄膜的磁性都来源于Zn空位周围被极化的O原子。     

ZnO∶Mn稀磁薄膜光学性质和铁磁行为分析

采用脉冲激光沉积技术在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上制备了不同Mn掺杂浓度的ZnO薄膜。实验结果表明,合适浓度的Mn的掺入,有利于ZnO∶Mn薄膜(002)生长而不形成Mn的氧化物,同时,所有的薄膜均呈现出了室温铁磁特性。随着Mn含量的增加,薄膜光学带隙红移,对应的Mn离子电荷转移跃迁吸收逐渐增强,磁化强度逐渐减小。实验结果支持薄膜的铁磁性起源于替位的Mn离子之间的长程铁磁相互作用,Mn离子增加导致平均磁矩减小,可归因于邻近的Mn离子密度的增加引起的反铁磁作用增强,相对应的sp-d交换作用逐渐增加。     

基于从头算法的TM金属共掺杂的ZnO基稀磁半导体的磁性研究(英文)

本文采用从头计算的方法研究了基于过渡性金属共掺杂Ⅱ-Ⅵ族稀释半导体的磁性和电子结构.并系统的研究了氧化锌基的稀释半导体铁磁态的稳定性和对其材料设计.在所有的共掺杂体系中,发现(Mn,Co),(Co,Ni)和(Mn,Ni)共掺杂体系是铁磁态的,而(Fe,Ni)共掺杂体系是自旋玻璃态.另一方面,Fe-,Co-和Ni掺杂ZnO基系统的稳态是铁磁态.同时,本文研究了ZnO基稀释半导体的载流子传导铁磁性,计算分析了电子态密度,铁磁态的稳定性.结合双交换和超交换理论解释共掺杂稀释半导体的磁性机理.     

Zn1-xFexO精细结构的第一性原理研究

计算了Fe掺杂ZnO体系几何结构和电子结构,分析了掺杂对ZnO晶体的电子结构、磁矩、电子态密度、磁学性质的影响.所有计算都是基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一原理平面波赝势方法.计算结果表明:Fe3 并不能占据准确的Zn2 位置,而是沿c轴方向位移了一段距离Δz,这是引起Zn1-xFexO铁磁性的主要原因,理论计算结果与试验结果吻合.     

ZnO:Mn稀磁薄膜光学性质和铁磁行为分析

采用脉冲激光沉积技术在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上制备了不同Mn掺杂浓度的ZnO薄膜.实验结果表明,合适浓度的Mn的掺人,有利于ZnOMn薄膜(002)生长而不形成Mn的氧化物,同时,所有的薄膜均呈现出了室温铁磁特性.随着Mn含量的增加,薄膜光学带隙红移,对应的Mn离子电荷转移跃迁吸收逐渐增强,磁化强度逐渐减小.实验结果支持薄膜的铁磁性起源于替位的Mn离子之间的长程铁磁相互作用,Mn离子增加导致平均磁矩减小,可归因于邻近的Mn离子密度的增加引起的反铁磁作用增强,相对应的sp-d交换作用逐渐增加.     

Mn掺杂对ZnO薄膜结构和光学性质的影响

利用脉冲激光淀积的方法在Si衬底上生长出了c轴高度取向的ZnO和Zn0.9Mn（0.1）O薄膜.光致发光结果显示了Mn的掺杂引起了薄膜的带边发射蓝移,强度减弱,紫光发射几乎消失,但绿光发射增强.利用X射线衍射,X射线吸收精细结构和X射线光电子能谱等实验技术对Mn掺杂的ZnO薄膜的结构及其对光学性质影响进行了研究.结果表明：Mn掺入到ZnO薄膜中形成了Zn0.9Mn0.1O合金薄膜,Mn以＋2价的价态存在,这就导致了掺Mn以后的薄膜带隙变大,在发光谱中表现为带边发射的蓝移.同时由于掺入的Mn与薄膜中的填隙Zn反应,导致薄膜的结晶性变差,薄膜中的填隙Zn减少,O空位增多,引起带边发射和紫光发射减弱,绿光发射增强.     

ZnO基稀磁半导体磁性起源的探索

对掺杂过渡金属（TM）制备得到的ZnO基稀磁半导体的磁性起源作了理论和实验两方面知识的调研，在理论方面主要介绍了几种磁性交换的模型：直接超交换和间接超交换、载流子媒介交换和跃迁磁极子。在实验方面分析众多国内外相关文献，发现选择正确的生长条件对于成功获得稀磁半导体至关重要，低生长温度、高氧偏压和较少的TM离子掺杂浓度能促使TM掺杂物的均一分布，并能削弱反铁磁性（AFM）交换进而增进铁磁性（FM）交换。同时据文献报道发现很多样品的磁性并不是固有的，载流子尤其空穴的存在对于铁磁交换作用起着至关重要的作用。     

Cr掺杂对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响

当Cr掺杂ZnO的摩尔数为0.0313~0.0625的范围内,掺杂体系的最小光学带隙宽度和吸收光谱分布随Cr掺杂浓度的变化出现了两类相反的实验结果。为了解决本问题,采用密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,用PBE泛函的计算方案来描述电子间的交换关联能,对未掺杂ZnO和3种不同浓度Cr掺杂ZnO超胞模型进行了能带结构、态密度、差分电荷密度、布居值以及吸收光谱的计算。结果表明,当Cr掺杂摩尔数为0.0313~0.0625的范围内,随着Cr掺杂量增加,掺杂体系的晶格常数和体积增大,总能量和形成能减小,结构更稳定,掺杂更容易,最小光学带隙宽度增大,吸收光谱显著蓝移。计算结果与实验结果相一致,并合理解释了存在的问题。这对制备Cr掺杂ZnO中实现短波长光学器件有一定的理论指导作用。     

溶胶-凝胶法制备K-N共掺ZnO薄膜的结构及光学特性

采用溶胶-凝胶法在Si(100)衬底上生长了K与N共掺的ZnO薄膜,并用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计对ZnO薄膜样品的结构和光学特性进行了研究。结果表明,溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜为六方纤锌矿结构。随着K掺杂浓度的增大,薄膜的结晶性变好,组成薄膜的颗粒变大,并表现出c轴择优生长特性,同时掺杂导致的氧空位缺陷也在增加,使得绿光发射增强,薄膜的光学带隙先增后减。     

Mn在BaTiO3中的固溶及其对BaTiO3结构影响的研究

运用XRD、SEM、HRTEM研究了Mn2O3掺杂对钛酸钡陶瓷结构的影响.随着烧结温度上升,发现Mn2O3掺杂钛酸钡样品的晶格常数在c轴方向增大.在烧结温度相同的情况下,Mn2O3掺杂能够抑制钛酸钡晶粒的生长,Mn3 在烧结的过程中逐渐的固溶进入钛酸钡晶格.从结构角度出发,提出了Mn固溶进入晶格后,在其周边微区可能产生压应力,这是样品在还原气氛下烧结仍保持高电阻现象的原因之一.     

Al掺杂NdFeO_3体系的晶体结构精修与磁特性研究

利用固相反应法制备了Al掺杂的NdFe1-xAlxO3系列化合物。通过X射线粉末衍射和结构精修分析发现,随着Al掺杂量的增加,样品晶胞参数变小,晶胞内Fe—O键长、Fe—O—Fe键角也发生了很大程度的改变,并且在a、b、c方向上存在不同的变化规律。Al掺杂导致样品结构上的改变对其磁学性质具有重要影响。磁测量结果表明,随着Al掺杂量的增加,由dzyaloshinsky-moriya(D-M)相互作用导致的宏观磁性逐渐减弱;由Nd离子磁晶格与Fe离子磁晶格耦合作用导致的体系自旋重取向相变温度向低温方向移动,样品的饱和磁化强度随着Al掺入浓度的增加呈减小趋势。表明Fe位非磁性元素Al的掺入,使得样品内部由D-M相互作用所引起的倾角反铁磁结构受到了明显的调制。     

Ga掺杂前后LaCoO_3的电子结构研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,结合局域自旋密度近似和Hubbard U修正,对不同Co离子自旋态下及Ga掺杂LaCoO_3的超晶胞体系进行了几何结构优化,计算并分析了它们的电子结构。结果表明,当Co离子处于低自旋态时,LaCoO_3为非磁绝缘性的绝缘体;当Co离子被激发到中间自旋态时,由于强烈的p-d轨道杂化作用,LaCoO_3转变成一个有磁性的半金属体;当Co离子处于高自旋态时,体系呈现金属铁磁性,磁矩由中间自旋态的0.91μB增大到高自旋态的2.2μB。Ga掺杂后,体系的Co3d态电子和Ga4p态电子以及O2p态电子在费米能级附近发生p-d轨道杂化,引入杂质带,形成受主能级,使体系的导电能力增强,体系呈现半金属铁磁性,其净磁矩为4.01μB。     

Zn3-xMnxTeO6的晶体结构与吸收光谱和磁性研究

本工作主要研究Mn ²⁺离子掺杂的类刚玉系氧化物Zn₃TeO₆(0<x≤2.0)的晶体结构与光学性质和磁性的变化。Zn_3-xMn_xTeO₆粉末样品通过固相反应合成。Mn掺杂量的相图表明, x<1.0时保持单斜(C2/c)结构, 1.0≤x≤1.6为单斜(C2/c)和三方六面体混合相(R-3), x≥1.8时完全转变为R-3相, 且x=2.0时形成ZnMn₂TeO₆, Te-O和Mn/Zn-O键长增大, 八面体发生更大畸变。X射线粉末衍射结构精修也表明R-3相中Zn/MnO₆为畸变八面体。随着Mn ²⁺掺杂含量的增加, Zn_3-xMn_xTeO₆系列化合物不仅结构发生变化, 其颜色也由浅变深。紫外吸收光谱中随着掺杂浓度的增加, 400~550 nm处的吸收增强, 样品的光学带隙也由3.25 eV (x=0.1)逐渐减小到2.08 eV (x=2.0), 分析表明, 可见区吸收的增强是源于MnO₆八面体中Zn/MnO₆八面体中Mn ²⁺离子的d-d跃迁, 导致样品由浅黄色逐渐变为暗黄色。 磁性测试表明, 固溶体的反铁磁转变温度随着Mn ²⁺掺杂量的提高而逐渐增加, 且掺入的Mn ²⁺离子以高自旋态 存在。