類(lèi)石墨烯納米材料的電子結(jié)構(gòu)及磁性.pdf

1、本文基于密度泛函理論第一性原理的全電勢(shì)線性綴加平面波法，在廣義梯度近似(GGA)下應(yīng)用WIEN2K軟件進(jìn)行計(jì)算。本文主要計(jì)算研究了具有石墨烯結(jié)構(gòu)的單層ZnO和Si納米材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性。
　　 首先對(duì)ZnO納米面的本征缺陷態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了研究。我們的研究結(jié)構(gòu)表明ZnO納米面可以在沒(méi)有金屬原子摻雜下表現(xiàn)出磁性。由于Zn缺陷引入的空穴發(fā)生極化，因此體系呈現(xiàn)出2.0μB的磁矩。磁矩是由于Zn的3d態(tài)和O的2p態(tài)雜化產(chǎn)生，體系

2、由于只有相同自旋方向的電子在費(fèi)米面處存在，所以表現(xiàn)出半金屬性質(zhì)。當(dāng)缺陷濃度較大時(shí)，體系將可能呈現(xiàn)出鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)和無(wú)磁性的3種不同狀態(tài)。
　　 當(dāng)一個(gè)非磁性C原子摻雜引入ZnO納米面時(shí)，體系呈現(xiàn)自發(fā)極化現(xiàn)象，并且具有2.0μB的磁矩。這個(gè)整數(shù)2.0μB的磁矩和C離子2p的軌道不成對(duì)電子數(shù)是相關(guān)的。兩個(gè)C原子引入后，反鐵磁態(tài)是體系的最穩(wěn)定狀態(tài)，C離子在Zn原子周?chē)谐蓤F(tuán)簇的趨勢(shì)。同時(shí)亞穩(wěn)態(tài)具有鐵磁序，其磁矩的大小為4.0μB。更

3、加重要是，這種長(zhǎng)程的鐵磁耦合是由于p-p耦合作用和p-d雜化作用共同作用所導(dǎo)致，其中p-p作用起到?jīng)Q定作用。當(dāng)N原子摻雜引入ZnO納米面，體系表現(xiàn)出鐵磁性，由于N原子引入導(dǎo)致的空穴使體系產(chǎn)生1.0μB的磁矩。當(dāng)引入兩個(gè)N原子，N原子就像C原子一樣有成團(tuán)簇的趨勢(shì)，N摻雜的ZnO納米面具有鐵磁性的基態(tài)和高于室溫的鐵磁序。其鐵磁耦合作用是由于空穴引起的通過(guò)N和Zn原子的p-d雙交換作用。
　　 當(dāng)類(lèi)石墨烯ZnO納米面中的一個(gè)O原子被X

4、(X=Be，B，C，N)替代，X引起的自發(fā)極化使材料本征的半導(dǎo)體性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘傩再|(zhì)，同時(shí)對(duì)于Be，B，C，N摻雜分別具有的磁矩大小為2.0μB，1.0μB，2.0μB和1.0μB。摻雜后，Be，B，C和N原子分別有2，3，4和5個(gè)電子在它們的2p軌道中，其磁矩的數(shù)值等于其未成對(duì)的2p電子數(shù)。當(dāng)兩個(gè)O原子被替代摻雜后，形成能計(jì)算表明X(X=Be，B，C，N)所有原子都有成團(tuán)簇的趨勢(shì)。對(duì)于不同原子的摻雜距離，體系會(huì)呈現(xiàn)鐵磁序，反鐵磁序和無(wú)

5、磁性的特點(diǎn)。當(dāng)摻雜濃度較大時(shí)，因?yàn)锽e原子電負(fù)性較小，它的p電子更加擴(kuò)展，因此更加容易表現(xiàn)磁性金屬性質(zhì)。
　　 我們也研究了H和Br表面修飾對(duì)二維Si納米結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)，電荷轉(zhuǎn)移和磁性質(zhì)的影響。結(jié)果表明全H修飾的Si顯示非磁性半導(dǎo)體性質(zhì)，但是只在一側(cè)半H修飾或者半Br修飾導(dǎo)致磁矩的產(chǎn)生，分別呈現(xiàn)鐵磁半導(dǎo)體或者半金屬性質(zhì)。能量計(jì)算表明半Br修飾顯示反鐵磁特點(diǎn)，而半H修飾具有長(zhǎng)程鐵磁性而且其居里溫度高于室溫。這些研究表明長(zhǎng)程室溫鐵磁