《稀磁半导体材料的第一性原理研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《稀磁半导体材料的第一性原理研究（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、新疆大学硕士研究生学位论文Y9 0 1 1 8 1提要目前使用的电子器件是利用电子的电荷特性来处理信息，然而对于信息的存德则馒用的是电子豹自旋特性。人们的想法楚将这两秘特性结合起来，以求提高和增加电子器件的功能，由此诞生了稀磁半导体材料。本文用密度泛函理论方法系统地研究了稀磁半导体材料。丈部分计算采用局域密发近似下豹离敬变分原子豳模型。文中描述了离散变分方法的理论基础密度泛函理论。重点介绍离散受分方法( D 、协d ) ，讨论基函数的构成、离散点的分布、势的构造。我们首先运用原予翻模型研究了稀磁半导体G a N 掺C r ( ( C r a , C r ) N ) 豹局域电子结构和磁性。计算结
2、果表明c r 原子的磁矩随掺杂浓度有明显的变化，变化趋辨和实验吻合。在包含两个C r 原子的体系中c r 原子之间是铁磁性偶台，每个C r 缘予的磁矩与籀间浓度下掺杂一个c r 原乎的磁矩糖近。对手不同的掺杂浓度，c r 原子与最近邻N 原予之间均为反铁磁偶合，c r 原子的3 d 电子与N 原子的2 p 电子之间有很强的杂化，这和晶体的能带计算方法得到的结果一致。弱对我们还运用原子强模型磷究Y ( G a , M n ) A s ，并将结采与( C a ，C r ) N 进行对比。本文还对G a A s 掺杂3 d 族过渡金属傲了系统的研究，作为G a A s 掺杂3 d 族过渡金属性质的总
3、结。考虑至l 实验上朝备D M S 材料时，磁性元素的掺杂是非均匀戆，所以我靠】计算得到的结果对于研究D M S 的局域特性很有帮助，而且我们的原子团模拟方法还可以用来研究其他的掺杂体系。关键词：稀磁半导体；密度泛函理论；原子团模型；第一性原理计算；电子结构新磷大学硕士讲究生学位论文A B S T R A C TM o d e me 沁c t r o m cd e v i c e su t i l i z et h ec h a r g ed e g r e eo f f r e e d o mo f e l e c t r o n st op r o c e s si n f o r m a
4、 t i o na n dt h es p i nd e g r e eo f f r e e d o mt os t o r ei n f o r m a t i o n I f b o t ht h ec h a r g ea n ds p i no fe l e c t r o n se R nb ec o m b i n e d ，w em a n yb ea b l et oa c c o m p l i s hm a s ss t o r a g ea n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga tt h es a m et i m e
5、 I nt h i sw a yt h ep e r f o r m a n c eo f e k c t r o n i cd e v i c e sw 矗lb ee n h a n c e d F i r s t - p r i n c i p l e sm e t h o d sb a s e du p o nd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y 辨p e r f o r m e df o rd i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r M o s to ft h ec a l
6、 c u l a t i o n sa r ep e r f o r m e db yu s i n gD i s c r e t eV a r i a t i o n a lc l u s t e ra p p r o a c hw i t h i nl o c a ld e n s i t ya p p r o x i m a t i o n 1 b u sd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( D F T ) i si n t m d u c e d ，T h eD i s c r e t eV a r i a t i o n a lM
7、 e t h o dt D V M ) f o rc l u s t e r sf D F Ti nr e a ls p a c e ) i sd e s c r i b e di nd e t a i l T h eb a s i sf u n c t i o n s ，n u m e r i c a lg r i d su t i l i z e da n dp o t e n t i a la r ed i s c u s s e d 。T h el o c a le l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o
8、p e r t i e so fd i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r ( G a , C r ) Nh a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gD V Mb a s e d0 1 3d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y T h em a g n e t i cm o m e n t sp e rC ra t o mv a r ys i g n i f i c a n t l yw i t hC rc o n c e n t r a t i o
9、 n ，a n dt h et r e n do f v a r i a t i o ni si na g r e e m e n tw i t ht h a to f t h ee x p e r i m e n t 。T h ec o u p l i n gb e t w e e nC ra t o m si nt h es y s t e mw i t ht w oC ra t o m sc o n s i d e r e di sf o u n dt ob ef e r r o m a g n e t i c ，a n dt h em a g n e t i cm o m e n tp
10、 e rC ra t o mi ss i m i l a rt ot h ec a s ei nw h i c ho n l yo n eC ra t o mi sc o n s i d e r e di nt h es a m ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n 。F o ra l ld o p i n gc o n c e n t r a t i o n s ，t h ec o u p l i n gb e t w e e nC ra n dt h en e a r e s tn e i g h b o rNi sf o u n dt ob ea n
11、 t i f e r r o m a g n e t i c 、a n dt h eC r3 ds t a t e sh y b r i d i z es t r o r k g l yw i t hN2 ps t a t e s ，w h i c ha r ei na g r e e m e n tw i t ht h eb a n dc a l c u l a t i o n s T h el o c a le l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fd i l u t e dm
12、 a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r ( O a , M n ) A sh a sa l s ob e e ns t u d i e db yu s i n gD i s c r e t eV a r i a t i o n a la p p r o a c hb a s e d ，I nt h i sp a p e r , t h e3 dt r a n s i t i o nm e t a l sW e r eu s e dt od o p ei n t oG a A sh o s t T h i s新疆大学硕士研究生学位论文w o r kw i
13、l lb eas u m m a r yf o r3 dt r a n s i t i o nm e t a ld o p e di n t oG a A sh o s t ，a n di tw i l lh a v em o r ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e C o n s i d e r i n gr a n d o md i s t r i b u t i o no fi m p u r i t ya t o m si nD M S ，o u ri n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c i v e
14、t ou n d e r s t a n d i n gt h el o c a lp r o p e r t i e so fD M S ，a n do f f e r sac l u s t e rm o d e lf o ro t h e ri m p u r es y s t e m s K e y w o r d s ：d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r ；d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ；c l u s t e rm o d e l ；f i r s t
15、- p r i n c i p l e sc a l c u l a t i o n ；e l e c t r o n i cs t r u c t u r e新疆大学硕士研究生学位论文引言凝聚态物理和材料科学的基本内涵是理解和揭示由相互作用的电子和原子核所组成的体系的性质。至少原则上，物质的所有性质都可以通过求解量子力学问题来得到。但由于材料的电子和原子核是有着强相互作用的多体系统，通常直接求解薛定谔方程是很难实现的，实际上都采用具有足够精度的，易于实现的近似手段。密度泛函理论( D F T ) 以及在此基础上发展起来的简单而具有一定精度的局域密度近似( L D A ) ，对凝聚态理论的发展
16、和应用作出了特有的贡献。建立在密度泛函理论基础上的第一原理量子力学计算方法，已经成为理沦工作者研究凝聚态物理的一个重要工具。密度泛函计算的一些结果能够与实验直接进行比较，一些应用程序的发展乃至商业软件的发布，导致了作为物理工具的基于密度泛函理论的第一原理计算方法的广泛应用。由于实际材料的复杂性，密度泛函计算方法在材料科学的大多数领域都受到一定的限制。八十年代以来，由于线性标度( 1 i n e a rs e a l i n g ) 方法的发展，得以对包含成百上千个原子的大体系进行第一原理计算，取得了引人注目的进展。第一原理计算方法也正在为材料科学领域解决越来越多的问题。原子团的离散变分方法( D V M ) ，是密度泛函理论的实空间全电子全势的自洽电子结构计算方法。原子团的单电子波函数同样是密度泛函理论计算的原子或离子的数值原子轨道波函数的线性组合，它因此比采用高斯( G a u s s i a n - b a s i s )轨道基函数的密度泛函计算方法的计算量少、速度快，常规计算中可以很容易地计算含1 5 0 个原子以内的体系，在采用了线性标度技术之后，能够
