Sc掺杂ZnO的电子结构与缺陷磁性的研究.pdf

Sc 掺杂 ZnO 的电子结构与缺陷磁性的研究 盖艳琴 闫羽 王红霞 杜晓波 王向群 金汉民 吉林大学物理学院，吉林大学超硬材料国家重点实验室，长春 130021 E-mail ：yanyu@ 摘 要：用基于密度泛函理论的平面波赝势方法计算了 ZnO 和 Sc 掺杂 ZnO 的电子能带结构。结果 表明：Sc掺杂的 ZnO和有氧空位的 ZnO是非磁性的；Sc掺杂使 ZnO中 Zn空位的形成能变小，有利 ZnO中产生 Zn空位；ZnO中 Zn空位近邻的 O原子被极化，这些磁矩铁磁耦合的能量低于反铁磁耦合 的能量；Sc掺杂的 ZnO薄膜的铁磁性来源于 Sc掺杂所产生的 Zn空位。 关键词: ZnO，室温铁磁性，缺陷 1 引言 近几年，实验先后发现 5%的 Sc 掺杂 ZnO 薄膜，HfO 薄膜，CaB ，SrB 和被辐射的石墨等具 2 6 6 有磁性转变温度高于室温的铁磁性[1-4]。它们的共同特点是不包含 d 或 f 壳层没有填满的过渡族或 稀土族磁性原子，因此其铁磁性的起源不同于传统的铁磁性物质，目前成为磁学研究的热点问题。 一些实验及理论计算表明 HfO 薄膜，CaB ，SrB 和被辐射的石墨的铁磁性的起源与缺陷密切 2 6 6 相关：对于 CaB 和 SrB ，实验发现薄膜的每个 formula 的磁矩比相应的单晶或多晶样品的大 2-4 6 6 个数量级[2]。而薄膜比单晶或多晶体材料有更大的表面积与体积比，薄膜应该有更多的缺陷。与此 相关，对 CaB 的基于密度泛函的能带计算表明：CaB 中的B 空位带有 2.4 μ 的磁矩[5]；对于 HfO ， 6 6 6 B 2 实验发现 HfO2 薄膜具有居里温度超过 500K 的铁磁性[3]，目前没有 HfO2 体材料具有铁磁性的实验 报道。如上所述，薄膜比体材料有更多的缺陷。与此相关，对 HfO2 的基于密度泛函的能带计算表 明：HfO 中的Hf 空位带有 3.5 μ 的磁矩，Hf 空位的磁矩是铁磁耦合的[6]；对于石墨，实验发现非 2 B 磁性的石墨被辐射后具有室温以上的铁磁性[4]。一般地，辐射将导致石墨中产生缺陷。与此相关， 对石墨的基于密度泛函的能带的计算表明：石墨中的空位或空位与氢的复合体具有磁矩[7]。对于 Sc 掺杂 ZnO 薄膜，实验初步表明 Sc 掺杂 ZnO 薄膜的铁磁性起源可能与某种缺陷有关系：通常在制备 ZnO 材料的过程中会产生 O 空位或 Zn 间隙原子，而ZnO 中O 空位的形成能低于 Zn 间隙原子的形 成能[8]。与此相关，ZnO 薄膜没有磁性。而在(Zn0.95Sc0.05)O 中，Sc+3 取代 Zn+2 将会产生 Zn 空位， 因此Zn 空位可能对 Sc 掺杂 ZnO 薄膜的铁磁性有重要作用。 本文用第一性原理平面波赝势方法计算了 ZnO ，Sc 掺杂的 ZnO ，含有 O 空位的 ZnO ，含有 Zn 空位的 ZnO 和含有 Zn 空位的 Sc 掺杂的 ZnO 的自旋极化的电子能带结构，研究了 O 空位和 Zn 空 位两种缺陷对 ZnO 磁性的作用。 2 计算方法 本文采用了基于密度泛函理论的平面波赝势方法，电子与电子间的相互作用采用广义梯度近似 （GGA ）。计算使用的是CASTEP 软件包。计算中考虑的价电子为:Zn:3d10 2 2 4 1 2 4s , O:2s 2p , Sc:3d 4s 。