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题名	Ge基和GaAs基中自旋相关性质的第一性原理研究
作者	周孝好
答辩日期	2005-12-31
文献子类	博士
授予单位	中国科学院研究生院
导师	陆卫
关键词	自旋极化 Ge Gaas 密度泛函理论 铁磁性
学位专业	微电子学与固体电子学
英文摘要	作为对自旋电子学的重要支撑和基础性材料，稀磁半导体材料已经引起了人们广泛的研究兴趣。随着研究的深入，材料制备和表征技术的发展，对稀磁半导体材料的很多深刻物理问题认识已难以停留在基于经验参数的理论框架内。区别于硅和砷化镓等典型非磁性半导体材料，稀磁半导体材料由于磁性元素的存在而变得相对复杂。因此，许多材料机理乃至器件在工程应用环境中表现的现象需要从全量子理论框架中寻求答案。 本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算对典型的IV族半导体Ge基和典型III-V族半导体GaAs基中自旋相关性质进行了系统的理论研究，为探索稀磁半导体材料的自旋极化特性及其应用提供了全量子的理论基础，主要结果如下： 1．系统研究了3d 过渡金属（TM = V, Cr, Mn, Fe, Co和Ni）掺杂半导体Ge的电子结构和磁性质。对比了过渡金属在Ge基体中铁磁状态和反铁磁状态的结合能。结果发现：V和Cr掺杂的Ge将表现为稳定的反铁磁状态，Mn和Fe掺杂的Ge将出现铁磁状态, 而Co和Ni掺杂Ge后其磁矩将发生淬灭。态密度和磁矩的结果显示只有Mn掺杂的Ge是半金属性的，具有100％的自旋极化率。在考虑四面体晶格场分裂和自旋分裂的基础上，通过对TM 3d电子进行排列比较，结果表明当TM 3d电子的t2g态部分被填充时，其掺杂的Ge将出现铁磁状态；而当TM 3d电子的t2g态全满或者全空时，其掺杂的Ge将出现反铁磁状态。因此，载流子是否具有TM 3d电子的巡游特性是稀磁半导体是否出现铁磁性质的关键所在。 2．研究了bcc Fe超薄膜在Ge(001)上的结构和磁性质。对于Fe-Ge(001)这样的薄膜体系，我们首先对该体系进行了充分的结构弛豫和优化。结果显示Fe-Ge(001)薄膜体系的基态总是铁磁性的，而且Fe的磁矩比相应的体材料要大，但随着Fe层厚度的增加而减小，尤其是在界面处。同时，我们也证实了Fe层的结构与其磁序状态之间的关系，即Fe层之间是自旋平行排列时，其层间距将发生膨胀，反之，则会出现收缩的现象。最后，对界面处的半导体Ge的态密度、电荷密度分布以及自旋密度分布进行了分析，结果显示在界面处Fe与Ge相互作用并且成键，从而导致了界面附近的Ge的态密度被显著调制，最终使界面处的Ge被诱导为自旋极化。但是，这种自旋极化在远离界面的Ge区域将会迅速衰减。 3．利用赝势平面波方法，研究了MnAs/Ge(001)超晶格的结构和磁相稳定性。总能计算结果显示闪锌矿结构的MnAs在所有结构中是最稳定的，无论是Mn原子还是As原子与Ge原子界面相邻。同时，对于闪锌矿结构的MnAs/Ge(001)超晶格，Mn-Mn之间反铁磁耦合要比铁磁耦合更为稳定，两者在总能上相差大约50meV/原胞。但是，在闪锌矿结构的MnAs/Ge(001)超晶格反铁磁基态下，施加大约3％大小的轴向拉伸应变，体系将发生磁相变，即由反铁磁状态转变为铁磁状态。最后，我们利用p-d杂化模型对计算结果进行了分析，并且认为在MnAs/Ge(001)超晶格中由应变引起的磁相变，主要是d-d直接超交换作用与间接的p-d杂化作用相互竞争的综合结果。 4．通过对Mn δ掺杂GaAs/AlAs超晶格的研究，我们发现在铁磁半导体异质结构中可以利用带阶，阱宽等因素来调控其中的铁磁性质。结果表明，借助于δ掺杂，可以实现磁性元素的高浓度掺杂，有利于提高居里转变温度。同时，总能和交换耦合常数的结果显示，无论AlAs层的厚度如何，体系皆表现为铁磁行为且是半金属性质，而铁磁相互作用的强度则随着AlAs层厚度的增加而加强。最后，在详细地分析了轨道投影态密度随AlAs层变化的情况之后，我们定量地给出了Mn层周围的空穴分布，确定铁磁相互作用的加强主要是受限的空穴在阱宽变窄时将更加局域化所导致的。
学科主题	红外基础研究
公开日期	2012-07-11
内容类型	学位论文
源URL	[http://202.127.1.142/handle/181331/4296]
专题	上海技术物理研究所_上海技物所
推荐引用方式 GB/T 7714	周孝好. Ge基和GaAs基中自旋相关性质的第一性原理研究[D]. 中国科学院研究生院. 2005.

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