Gd,Si/Ge掺杂GaN 材料的自旋极化和磁相互作用量子机理研究

(Gd,Si)掺杂 GaN稀磁 半导体实现室温铁磁性和GaN的 d0铁磁性是近几年发现的新现象，引起了自旋电子学研究领域的极大关注。本项目拟采用第一性原理平面波方法结合GGA+U,LSDA的近似，通过总能的计算，获得掺杂C、Si、Ge和O、以及Ga空位等缺陷对GaGdN和GaN结构的影响。基于电子态的分布，探索C、Si、Ge 和Ｏ、以及Ga空位等缺陷诱导的铁磁性耦合机理及铁磁性演化的规律。针对调制掺杂体系中巨自旋极化和高磁性离子浓度等独特性能与材料自旋性质的关系,考虑缺陷之间的关联和自旋极化的耦合作用，揭示体系磁性的起源，解释非磁性元素掺杂诱导自旋极化的新现象,澄清高磁矩、高磁化强度和室温铁磁性机理的争论。本项目的完成对认识和理解非磁性元素掺杂新现象，促进自旋电子学的发展具有重要的科学意义。

首先对Gd与Gd原子之间的自旋耦合机理进行了研究，发现随着Gd原子之间的距离增加有一个自旋反铁磁到铁磁耦合的相变，Gd原子之间距离较小时是反铁磁性，确定了相变点位置，在此之前的研究都是定性的结论。. 其次，研究了Gd掺杂的GanNn团簇的结构、电子和磁性质，发现单个Gd掺杂的GanNn团的总磁矩始终保持为7μB，其中绝大部分来自于Gd原子f态电子的贡献。这与Mn、Fe等过渡族金属中d态电子的情况截然不同。另外，发现Gd掺杂GanNn团簇几何结构及其演变的研究将有助于理解GaN: Gd材料的生长机制。. 研究了半氢化二维GeC铁磁性与反铁磁性，当氢原子加在Ge原子上时，可以获得稳定的铁磁结构，居里温度可以达到298.96K，不同于同族的石墨烯。. 对缺陷诱导的二维SiC d0铁磁性进行了研究，发现不论是单个C原子还是同时出现Si和C原子缺陷结构都是没有磁性的。当出现单个Si原子缺陷时，在缺陷周围三个紧邻C原子上有磁矩。我们用N原子和B原子分别替换C和Si原子，发现当B原子替换Si原子时体系是不展现磁性的，其他三种情况展现了三种不同的磁结构。..对锯齿型GaN纳米带边缘不对称氢化的研究，发现当边缘Ga原子加两个氢原子，边缘N原子加一个或者两个氢原子都可以诱导出丰富的边缘磁性。当边缘Ga原子不加氢原子，边缘N原子加两个氢原子时也可以诱导磁性，与已有其他材料的研究结果不同。..Cu-Gd共掺杂引起的GaN纳米线的室温铁磁性研究，发现Cu-Gd共掺杂GaN纳米线的反铁磁态与铁磁态的能量差为40meV, 这个能量差足以让该体系在室温下保持稳定的铁磁态,这是自旋电子器件所渴望的。..在本基金的资助下，我们也拖展了II-VI/III-V 族纳米线的磁性，以及他们的生长机理研究，还有VO_2 的相变及其器件的研究工作，得到了比较好的创新结果。已发表挂基金号的论文，包括APL，JAP， Sci. Report 等在内的SCI论文23篇，已接受的待发表SCI论文2篇