缺陷对SnO2低维纳米材料的磁性影响机理研究

作为具有丰富物理内涵和广阔应用前景的信息功能材料，低维纳米材料已成为凝聚态物理、材料和信息科学领域的研究热点。本项目拟通过第一性原理和平均场理论的有机结合，探索SnO2低维纳米材料的磁性起源及居里温度的载流子调控机理。（1）从理论上恰当表征磁性薄膜、纳米线、纳米管和纳米孔阵列等低维新颖结构，研究由纳米尺寸引起的量子约束效应和表面结构拓扑对磁耦合的影响，探索材料的磁性起源。（2）研究过渡金属原子与非磁性原子掺杂和共掺杂，单一缺陷和缺陷复合体（complex）对材料表面电荷转移量的影响，判断电荷的局域性和巡游性，弄清磁耦合机理；设计具有长程﹑高居里点的新型铁磁性材料。（3）利用平均场理论和相干态近似原理并结合格林函数方法，建立居里温度的调控模型；研究载流子类型和浓度对居里温度的影响机理，为材料的实验制备提供配方。本项目对低维纳米材料的设计和应用具有重要的理论价值和指导意义。

本项目采用第一性原理和平均场理论相结合的方法，研究了低维结构SnO2及其相关材料的电子结构及磁性质，取得一批重要成果。 .[1] 研究了p 型掺杂原子（Mg，K，Sr，Al）和3d 掺杂原子（Co, Cu）对 SnO2 基磁性半导体的电子结构的影响，并考虑了U和氧空位的调控作用。与磁性掺杂p-d耦合作用不同，我们提出了p-p电子杂化模型； 成功解释了SnO2实验结果的多样性和复杂性。.[2] 我们基于海森堡模型，应用MAF和CPA的基本原理以及格林函数方法，建立了材料微结构（掺杂、共掺杂和缺陷态等）对居里温度的影响。对于p元素掺杂的DMS材料，其居里温度在600K以上，有利于材料的实际应用；我们也展开了Cu掺杂ZnS基DMS材料的居里温度研究：当掺杂Cu含量为0.625%时，居里温度约为410K，是具有重要应用价值的另一种新型DMS材料。.[3] 研究了SnO2（110）面的电子性质。分子动力学模拟发现Co原子趋向于（110）面上，而不是游离在体材料内部，这是由于（110）面悬挂键的作用，从而导致电子重新分布。依赖于Co在SnO2（110）表面的分布位置，材料的FM, AFM和NM态均被发现。更加重要的是，Co原子的掺杂含量对铁磁性质具有调控作用。.[4] 研究了二维SnO2纳米面的形成机理和在自旋电子学上的应用价值， 给出了其本征缺陷对结构的调控机理。VO 缺陷保持SnO2的非磁性特征, 但VSn造成了非常复杂的磁有序状态。依赖于缺陷在纳米结构中自旋的初始构型，我们发现了两种自旋态，既具有半金属性质的高自旋(S = 1) 和具有金属性质的低自旋态(S = 2), 而且材料内部存在着两种高自旋态之间的长程铁磁性耦合序。. [5] 在纳米结构SnO2研究结果基础上，我们也研究了硅烯，CdS,ZnO,AlN等纳米面，以及N和B等原子掺杂对硅烯纳米带的电子结构及磁性的调控机理。在这些纳米复合结构中，多种有趣的复杂量子效应现象，如电子极化率100%半金属，零带隙半导体，量子自旋霍尔效应等均被设计出来。这些性质有利于材料在自旋电子学器件中的开发和应用。