通過(guò)LDA+U方法研究Co/Mn共摻雜ZnO納米線的電子結(jié)構(gòu)與磁性質(zhì)

0 1引言

目前，開(kāi)發(fā)具有良好磁性能的DMS是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題，鑒于費(fèi)米能級(jí)的調(diào)制位置和占據(jù)情況，ZnO的TM共摻雜被證明是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定光學(xué)和磁性特性的一種有希望的替代技術(shù)。通過(guò)研究在ZnO中同時(shí)嵌入兩種TM離子，以建立它們的適當(dāng)組合，實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁性[J. Alloys Compd. 2017, 698, 532-538，Superlattice. Microst. 2015, 83, 342-352.]。雖然TM離子的半徑接近Zn離子，但由于非磁性主離子難以被磁性離子部分替代，Mn和Co離子不易占據(jù)ZnO晶格中的四面體位置，因此不會(huì)對(duì)共摻ZnO材料的磁性能產(chǎn)生顯著影響。因此，本研究系統(tǒng)的研究了Mn/Co共摻雜ZnO納米線的電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)，并使用密度泛函理論框架結(jié)合LDA + U算法分析了磁源的磁耦合機(jī)制。討論了摻雜對(duì)磁性和電性能的影響，并揭示了自旋載流子注入機(jī)制，以有效地控制電荷載流子的自旋狀態(tài)。

0 2成果簡(jiǎn)介

該研究基于PBE交換關(guān)聯(lián)泛函，采用密度泛函理論（DFT）與LDA+U算法相結(jié)合的第一性原理計(jì)算方法研究Co/Mn共摻雜ZnO納米線的電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。重點(diǎn)關(guān)注Co/Mn原子的最佳幾何替換位置、耦合機(jī)制和磁性起源。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，所有配置的Co/Mn共摻雜ZnO納米線均表現(xiàn)出鐵磁性，在（0001）內(nèi)層中用Co/Mn原子取代Zn可以使納米線達(dá)到基態(tài)。在磁耦合狀態(tài)下，費(fèi)米面附近探測(cè)到明顯的自旋分裂，Co/Mn 3d和O 2p態(tài)之間的強(qiáng)雜化效應(yīng)也得到觀察。此外，建立了Co2+-O2-Mn2+磁路徑形成的鐵磁有序。此外，計(jì)算結(jié)果表明，磁矩主要起源于Co/Mn 3d軌道電子，磁矩的大小與Co/Mn原子電子構(gòu)型有關(guān)。因此，通過(guò)LDA+U方法獲得Co/Mn共摻雜ZnO納米線的電子結(jié)構(gòu)的真實(shí)描述，表明它們具有作為稀磁半導(dǎo)體材料的潛力。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖1 (a) 7×7×2 ZnO納米線超胞俯視圖，(b) Zn48O48納米線超胞沿[0001]方向的周期結(jié)構(gòu)(白色和黑色圓圈分別代表氧原子和鋅原子).

圖2 ZnO納米線耦合模型(白色和淺黑色代表O和Zn原子，藍(lán)色和紅色代表Co和Mn原子)：(a)構(gòu)型I; (b)構(gòu)型II; (c)構(gòu)型III; (d)構(gòu)型IV; (e)構(gòu)型V; (f)構(gòu)型VI.

圖3 ZnO納米線的DOS和PDOS圖: (a)純ZnO TDOS圖, (b) Mn/Co共摻雜ZnO TDOS圖, (c)純ZnO Zn原子PDOS圖, (d) 純ZnO O原子PDOS.

圖4 Co/Mn共摻雜ZnO納米線的PDOS圖: (a) Zn原子PDOS圖, (b)O原子PDOS圖, (c) Co原子PDOS圖, (d) Mn原子PDOS圖.

圖5 四面體晶場(chǎng)中三維TM原子的能量圖(Td)

0 4小結(jié)

本文使用密度泛函理論（鴻之微DS-PAW軟件）結(jié)合LDA+U算法，系統(tǒng)研究了Co/Mn共摻雜ZnO納米線的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。

當(dāng)Co/Mn共摻雜取代不同位置的Zn原子時(shí)，觀察到鐵磁耦合特性。計(jì)算得到的形成能表明構(gòu)型I是基態(tài)，容易形成穩(wěn)定的鐵磁耦合序。Co/Mn 3d軌道未成對(duì)電子與EF附近的O 2p軌道電子的強(qiáng)p-d雜化效應(yīng)，在上部?jī)r(jià)帶中出現(xiàn)擴(kuò)散的鍵合態(tài)，在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)局限非鍵合態(tài)。在導(dǎo)帶中形成一個(gè)相對(duì)局限的反鍵合態(tài)。

結(jié)果表明，鐵磁耦合是由O 2p軌道介導(dǎo)的，并且理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了鐵磁雙交換相互作用的支配地位。磁矩主要受Co/Mn 3d軌道電子的影響，最近的Co-Mn電子對(duì)有助于鐵磁相互作用的產(chǎn)生。因此，通過(guò)選擇合適的共摻納米線尺寸和維度來(lái)控制鐵磁耦合和磁矩的靈活性，在應(yīng)用中具有非常大的前景。本文的結(jié)果有助于設(shè)計(jì)基于ZnO的室溫稀磁半導(dǎo)體。




審核編輯：劉清