低价非磁性金属掺杂SnO2磁、光性能的密度泛函理论研究

The magnetic and optical properties of 3-dimensional and 2-dimensional SnO2 doped with non-magnetic low valence metal elements (K, Na, Mg, and Zn) will be investigated with first principles calculations based on the density functional theory (DFT). To avoid the shortcoming of conventional DFT calculations, the valence band width correction, which combining the PBE, HSE06 and GW methods, will be used to calculate the accurate formation energy and transition level of defect system. And the effect of doping atom position on the magnetic interaction and optical behavior will also be investigated. We hope that the d0 ferromagnetism model could be improved with the above theoretical investigations, and the theoretical guidance could be provided for designing diluted magnetic oxide semiconductors with good qualities.

本项目拟利用基于密度泛函的第一性原理方法对低价非磁性金属（K、Na、Mg和Zn）掺杂SnO2三维和二维体系的磁学和光学性能进行理论计算研究。为避免传统密度泛函方法对形成能计算的缺点，本项目在结合GGA近似、HSE06杂化泛函和GW近似的基础上，通过价带宽度修正计算缺陷体系形成能和跃迁能级的准确数据，并分析掺杂原子的占位规律及其对体系磁相互作用和光学行为的影响机制。本项目希望通过上述理论计算研究进一步完善空穴掺杂氧化物d0铁磁性的理论模型，为设计具有优良品质的稀磁半导体氧化物材料提供理论指导。

本项目利用第一性原理计算方法对未掺杂和低价非磁性金属（K、Na、Mg 和Zn）掺杂SnO2体系的磁学和光学性能进行理论计算研究。研究结果表明杂化泛函方法可以较好的计算SnO2体系的物理性能。对于未掺杂SnO2体系，通过失配应变可以调节体系的能带结构。当低价非磁性金属掺杂SnO2体系后，体系的磁矩与掺杂元素在体系内引入的空穴数目相关。掺杂原子处于替代位时可以增强磁性并减小光学带隙，而掺杂原子处于间隙位时会对体系空穴产生复合效应，减弱磁性并增大带隙。上述成果为氧化物半导体d0铁磁性研究提供了理论依据和指导。