《d0铁磁性的第一原理计算研究》

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d0铁磁性的出现引发了一场关于磁性起源的争论,而第一原理计算对于揭示d0铁磁性的物理本质是不可或缺的.课题组采用第一原理计算方法系统地研究了实验上观察到的典型d0铁磁性体系.根据杂质带相对于宿主带隙的位置,课题组将d0铁磁性分为p型和n型.针对p型d0铁磁性,课题组的研究结果表明,当考虑阴离子p电子关联时,局域磁矩间可能并不存在长程铁磁交换相互作用.这使得N/C掺杂ZnO/MgO的室温d0铁磁性的起源再次成为疑问.针对n型d0铁磁性,课题组做了详细研究,并得到了多个重要结论: ZnO中的单个和多个氧空位(VO)并不能导致局域磁矩.这推翻了关于ZnO的n型d0铁磁性的猜测.N/C掺杂MgO中的VO对局域磁矩的影响依赖于结构.在某些结构中,局域磁矩从N/C转移到了VO上.这为解释n型d0铁磁性提供了另一个思路.Ti:ZnO具有局域磁矩.这表明非磁性金属掺杂可能导致d0铁磁性.VO:TiO<,2>体系中可能存在强磁各向异性.这为从实验上探索d0铁磁性的起源提供了一个新途径.VO:HfO2和VO:SnO2没有磁性.这表明它们的d0铁磁性可能另有原因.课题组进一步拓展到表面/界面以及低维体系,并得到了多个重要结论: TiO<,2>/SrTiO3界面处的VO可以导致局域磁矩,且它们之间的交换相互作用呈铁磁性.TiO<,2>表面处的VO也可以导致局域磁矩,且它们之间的交换相互作用呈铁磁性.暗示TiO<,2>薄膜的d0铁磁性很可能来自表面/界面处的缺陷.HfO2表面的单个VO没有磁性,而特定的双VO结构却有.这暗示HfO2薄膜的磁性可能来自其表面.IA、IIA、VIA元素掺杂的h-BN单层都有局域磁矩.这表明d0铁磁性可能广泛存在于低维体系之中.此外,课题组还研究了块体以及低维稀磁半导体中的磁各向异性,以及尖晶石体系中的半金属性和磁性.

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