氟掺杂钛酸钡的电子结构和磁性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了F掺杂立方相BaTiO3的稳定性、电子结构和磁性.结果表明F掺杂BaTiO3体系结构稳定,掺杂体系的磁耦合作用与F原子间距密切相关.当F原子间距为0.6468nm时具有很强的铁磁耦合作用,其磁性机制可归结为未配对的Ti 3d电子自旋极化,且一个F原子替代产生1.0μB磁矩.当F原子间距为0.4933 nm时为反铁磁耦合,而间距大于0.7511 nm时为顺磁态.由于F掺杂立方相的BaTiO3可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高,故有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用.     

Mn掺杂半金属铁磁体Fe2Si电磁特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了不同比例Mn掺杂Fe2-xMnxSi体系的电子结构和磁学特性,分析了不同比例Mn掺杂对Fe2-xMnxSi体系电磁特性的影响.计算结果表明:不同比例Mn掺杂Fe2-xMnxSi体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,未掺杂Fe2Si的半金属隙为0.164eV;掺杂比例为8.3;时,自旋向下部分转变为L间的直接带隙半导体,Fe2-xMnxSi(x=0.17)体系呈现半金属特性;掺杂比例为12.5;时,自旋向下部分转变为A间的直接带隙半导体,Fe2-xMnxSi(x=0.25)体系呈现半金属特性;掺杂比例为25;时,自旋向下部分的带隙值接近于0,Fe2-xMnxSi(x=0.5)体系呈现金属特性.Mn掺杂使Fe2-xMnxSi体系的能带结构和电子态密度向低能方向移动,费米能级落入自旋向下的禁带之中,使得自旋极化率达到100;.Fe2-xMnxSi体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.     

Mn掺杂BaTiO3多铁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对过渡金属元素Mn掺杂四方相BaTiO3体系进行了系统的研究.通过对掺杂前后的电子结构改变及所引起的磁学性能的分析发现,过渡金属元素Mn的掺入可以使BaTiO3产生较大的铁磁性,这一磁性主要源于Mn离子局域磁矩的贡献,且随着Mn掺杂量的增加,材料体系的磁性增强;同时发现掺杂体系在001方向存在畸变,仍然保持BaTiO3原有的自发极化,即掺杂后体系仍具备铁电性.研究结果表明,进一步优化的Mn掺杂BaTiO3有望成为一种性能优越的新型多铁性材料.     

MnGa合金体的电子结构与磁性质的研究

基于密度泛函理论方法系统研究了四方结构MnGa合金体的结构、形成、电子结构和磁性质。结果表明,四方MnGa合金晶胞的生成焓为-4.85 eV,高于一些不含d电子的体系。其呈现导体的能带结构,其中d电子主要形成深能级价带,定域性最强。四方MnGa合金存在着明显的自旋极化,靠近费米能级两侧的s电子和靠近费米能级下方的p电子具有较弱的自旋极化。形成浅能级价带和导带的d电子产生高强度的自旋极化,对磁性质贡献较大。Mn的s电子和Mn的p电子自旋极化作用较弱,Mn的d电子形成浅能级价带和导带,自旋极化作用最强。形成深能级价带的Ga的d电子自旋极化作用较弱,不同位置的Ga原子的自旋极化不同。四方MnGa合金体具有净有效磁矩,呈弱的亚铁磁性。     

气体分子吸附调控CdG电子结构和磁性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,深入研究单个气体分子CO、NO、NO2、SO2、O2和H2S吸附对Cd掺杂石墨烯(CdG)电子结构和磁性的影响及调控机理.结果 表明:六种气体分子以较大的吸附能与CdG基底中的Cd原子键合并形成Cd-X键(X代表C,O,N,S),属于化学吸附;由气体吸附注入的空穴使得复合体系的电子分布发生重构,致使复合体系电子结构和磁性明显改变.CO吸附后,体系仍保持CdG基底原有的半导体性,但带隙宽度有所变化;NO、NO2、SO2和O2吸附的CdG基底转变为金属性,H2S@CdG为半金属性.CO的吸附使得原本自旋极化的CdG基底磁性消失;NO2、H2S、NO和O2吸附基底时,产生局域自旋极化.对于NO2@CdG和H2S@CdG,自旋极化主要分布于基底之上且极化方向相同,NO2和H2S发生弱极化且自旋方向相反;而NO@CdG和O2@CdG的自旋分布特征与之相反;SO2@CdG呈现完全自旋极化特征,即SO2和基底皆有显著的自旋分布但自旋方向不同.据此,由各气体分子引起体系电子结构和磁性的不同变化特征,可有效检测和甄别气体分子.     

基于第一性原理的Gd掺杂ZnO电子结构与吸收光谱研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂ZnO和两种Gd掺杂浓度的ZnO模型.结构优化后,对各个模型的电子结构、态密度及吸收光谱进行了计算,其中Gd掺杂模型分别采用电子自旋极化与电子非自旋极化两种处理方式.结果表明:电子非自旋极化条件下,Gd掺杂在ZnO禁带中引入杂质能级,ZnO带隙变宽,导致相应的吸收光谱发生蓝移;考虑电子自旋极化时,Gd掺杂后的体系具有铁磁性,自旋电子在无序磁畴贡献的局部磁场内发生自旋能级分裂,使得带隙变窄,相应吸收光谱发生红移.     

Cu替位与空位及Cu、S共掺SnO2的光磁性质研究

运用第一性原理,基于密度泛函理论,计算了Cu分别以替位和空位两种方式掺杂SnO2的电子结构和光电特性,并对两种掺杂方式做了一定的比较研究;磁性方面,主要研究了Cu、S共掺SnO2后的磁学性能.计算表明,两种方式掺杂,都使SnO2具有半金属特性,Cu原子将与周围的O原子发生强烈的交换作用,Cu原子对态密度的贡献主要在费米能级附近.相比之下,空位掺杂后的晶胞体积略大于替位掺杂后的SnO2,对光的能量损耗也比替位掺杂的低.对于Cu、S共掺的体系,计算表明:每个Cu原子的掺入将产生0.46μB的磁矩,而一个S原子将引入0.36μB的磁矩,Cu原子周围的O原子也对磁矩有一定的贡献.经过分析,发现体系的磁性来源主要是Cu-3d和S-3p,以及Cu-3 d与O-2 p间的强烈耦合作用.     

Cu-N共掺杂ZnO体系的稳定性,电子结构和磁性的第一性原理研究

采用第一性原理框架下的全势缀加平面波方法研究了Cu-N共掺杂的ZnO体系的电子结构和磁学性能.基于总能的计算表明,Cu-N共掺杂体系在基态下具有稳定的铁磁性,这个铁磁性的起源可以利用双交换理论进行解释.同时,电子结构的计算表明,掺杂体系在基态下呈现的是半金属特性.在Zn1-xCuxO1-yNy (x=0.0625, y=0.0625)中体系的总的磁矩为2 μB.这些磁矩主要来源于Cu-3d电子和O-2p电子以及N-2p电子的相互作用.     

LaAlO3晶体点缺陷的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用密度泛函理论计算了LaAlO3晶体点缺陷的电子结构和磁学性质.结果表明,LaAlO3中La,Al空位缺陷具有铁磁性,O空位缺陷没有磁性.La,Al空位磁性源于体系中所有O原子2p轨道的部分极化.     

N掺杂LaAlO3电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理计算N掺杂LaAlO3的稳定性、电子结构和磁学性质.计算结果表明:N掺杂LaAlO3的结构稳定;而且从生成焓数值看,替位掺杂比间隙掺杂结构更稳定.形成能计算结果表明,还原环境比氧化环境更适合N掺杂,并且在还原环境下,NH3作为N源生成替位掺杂的LaAlO3-x Nx的形成能最小,即最容易形成替位掺杂.N替代LaAlO3中的O原子和位于LaAlO3晶胞间隙均产生铁磁性,其磁性均源于掺杂N-2p电子与体系价带顶O-2p电子间的p-p耦合作用.