晶格缺陷在ZnO基d0铁磁体中所起作用的理论研究

明确晶格缺陷对氧化锌基d0铁磁性材料中的高温磁有序现象的作用，对于阐明稀磁半导体中的磁耦合机制及制备高居里温度的自旋电子材料具有重要意义。本课题拟采用非局域的屏蔽杂化函数的方法，研究未掺杂ZnO中具有O的2p轨道特征的晶格缺陷及C、N掺杂的ZnO中占据氧格位的杂质缺陷X(X=N2、NO、CO、N、C、C2)对ZnO基d0铁磁性的贡献，研究外加静水压、膜面内张、压应力及共掺杂等方法对缺陷性质及缺陷间磁耦合作用强弱的影响规律。其目的是从理论上找到对磁性有直接贡献的缺陷的种类，确定影响缺陷间磁耦合作用的因素，并结合ZnO材料的掺杂特性，分析得出缺陷间铁磁耦合作用机制，为设计居里温度高于室温的自旋电子材料提供理论依据。

d0-铁磁性的研究为寻找高温自旋电子材料开辟了新途径。为了制备居里温度高于室温的铁磁性材料，有必要阐明晶格缺陷在氧化锌基d0-铁磁体中所起的作用和缺陷间的磁耦合机制，并探索调制缺陷间磁耦合作用类型及强度的途径。我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，重点研究了应力对氧化锌中缺陷的形成能和离化能的影响规律；对不同荷电状态的缺陷的磁矩的影响规律以及对缺陷间磁耦合作用类型、强度的调制规律。对氧化锌中的氮受主：压力会增加氮在氧化锌中的固溶度，张力会降低受主的离化能，使受主缺陷波函数更加非局域化。张力使受主间铁磁耦合增强，而压力使磁矩间反铁磁耦合增强；对氧化锌中带一个正电荷的氧空位缺陷：压应力使缺陷磁矩增加；在低氧空位浓度时，磁矩间为反铁磁耦合且加压应力，耦合作用增强；在高空位浓度时，随着应力类型由张到无到压变化，磁矩间耦合表现为反铁磁作用减弱，变为弱铁磁耦合，当施加-15%应力时，表现为顺磁性。对闪锌矿结构氮化镓中氮空位:氮空位只在双轴压力作用下才有磁矩，且磁矩随压力增加而增大；磁矩间呈反铁磁耦合，且耦合强度随压力增加而增强，与氮空位浓度无关，只是在高空位浓度时的耦合强度比低空位浓度时在同等应力作用下小得多。所以，双轴应力对闪锌矿结构氮化镓中缺陷磁性的调制规律与铅锌矿结构规律相一致。对氮化镓及氧化锌中带不同电荷的镓空位和锌空位:压力使得带不同电荷镓空位的磁矩变大，而使得锌空位的磁矩变小；张力使得两种材料中缺陷磁矩都减小。对不带电的镓空位,无论施加张还是压应力，磁矩间总是反铁磁耦合，且随着压力增加，反铁磁作用增强；对带一个负电荷的镓空位,始终表现为铁磁耦合，且无论加压还是张力，耦合强度稍有变化；对带两个负电荷的镓空位,始终表现为铁磁耦合，且加压耦合作用增强。对带不同电荷的锌空位加压都表现为反铁磁耦合；对中性的锌空位,加张力，反铁磁耦合增强；而对带负电荷的锌空位,加张力，铁磁耦合减弱。该调制规律可用能带耦合模型来定性解释。本课题阐明了宽带隙半导体中缺陷对d0-铁磁性的作用具有双重性，既能提供磁矩又能作为长程磁耦合作用的媒介；阐明了应力对缺陷浓度及载流子浓度的调制作用，调制效果与缺陷的电子特征有关。我们的研究结果证明应力是调制半导体中缺陷磁矩的耦合类型和强度的有效手段，且调制效果与缺陷的荷电状态及半导体材料的种类有关，为设计居里温度高于室温的铁磁性材料指明了方向。