SnO2及相關(guān)納米材料的磁性研究.pdf

1、本文基于密度泛函理論第一性原理的投影綴加平面波法，應(yīng)用VASP軟件在廣義梯度近似(GGA)下伴隨著PBE交換關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本文主要研究了SnO2及相關(guān)納米材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性。
　　首先，我們對(duì)SnO2納米面本征缺陷態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，O空位的引入不會(huì)使SnO2納米面產(chǎn)生磁性，而對(duì)于Sn空位的摻雜，根據(jù)Sn空位周?chē)娮幼孕较虻牟煌?，體系能分別表現(xiàn)出半導(dǎo)體，磁性金屬和半金屬的性質(zhì)。為了研究在Sn空位之間

2、的耦合作用，我們考慮在SnO2納米面中引入兩個(gè)Sn空位。通過(guò)能量計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)SnO2納米面的最穩(wěn)定狀態(tài)是反鐵磁態(tài)。
　　我們還用GGA+U的方法來(lái)研究過(guò)渡金屬Co摻雜SnO2納米面的電子結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)Co原子的摻雜會(huì)使材料有一個(gè)大小為1.0μB的磁矩。當(dāng)2個(gè)Co原子摻入后，Co原子會(huì)形成團(tuán)簇并且材料呈現(xiàn)出鐵磁性。為了得到較強(qiáng)的鐵磁性，我們考慮了引入O空位的方法，但經(jīng)過(guò)計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)O空位的引入會(huì)使材料變成反鐵磁性。此

3、外，我們又考慮了Li原子的摻雜。當(dāng)Li原子摻雜引入Co-SnO2納米面時(shí)，Li原子的摻雜會(huì)使SnO2納米面呈現(xiàn)出很強(qiáng)的鐵磁性，這主要?dú)w因于Li和Co原子間的由空穴主導(dǎo)的雙交換作用。
　　眾所周知，在石墨烯應(yīng)用方面，襯底對(duì)石墨烯的電子性質(zhì)的影響是非常重要的。因此，我們研究了在SnO2納米面上生長(zhǎng)石墨烯(G@SnO2 HBS)和剝離后的石墨烯的能量和電子性質(zhì)。令人意外的是G@SnO2 HBS沒(méi)有打開(kāi)帶隙反而表現(xiàn)出金屬性質(zhì)，而剝離下來(lái)的

4、石墨烯在迪拉克點(diǎn)上卻打開(kāi)了一個(gè)帶隙(10.2～12.3 meV)，這有利于石墨烯在場(chǎng)效應(yīng)管方面的應(yīng)用。
　　此外，我們研究了B/N對(duì)摻雜硅烯納米帶(SiNR)的結(jié)構(gòu)、電子和磁性性質(zhì)?？偰芰糠治鲲@示B/N對(duì)的摻雜位置更趨向于SiNR的邊緣，而且在Armchair型的SiNR上成鍵的B/N對(duì)比未成鍵的B/N對(duì)更容易形成。不同于單個(gè)N或B摻雜形成的金屬態(tài)，B/N對(duì)的摻雜導(dǎo)致了體系半導(dǎo)體的性質(zhì)，而且?guī)犊梢酝ㄟ^(guò)改變摻雜位置來(lái)調(diào)節(jié)大小。對(duì)于

5、Zigzag型納米帶來(lái)說(shuō)，B/N對(duì)的摻雜可以產(chǎn)生自旋極化態(tài)。更重要的是，我們?cè)谧钸吘壓痛芜吘墦诫s位置發(fā)現(xiàn)了半金屬和100％自旋極化零帶隙半導(dǎo)體。
　　我們又研究了硅烯納米薄片(SiNFs)和相關(guān)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、電子和磁性性質(zhì)。研究結(jié)果表明六角形的SiNF是無(wú)磁半導(dǎo)體，而三角形的SiNF是有磁性的。盡管2個(gè)三角形SiNF直接連接是反鐵磁的，然而我們通過(guò)Si原子數(shù)是奇數(shù)的Si鏈來(lái)連接2個(gè)三角形SiNF，該體系是鐵磁性的，這歸因于Si原子的

6、自旋反平行規(guī)則。更為有趣的是由一個(gè)Si原子連接的三角形SiNF會(huì)表現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)。
　　我們同樣還研究了W原子摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)，電子和磁性性質(zhì)。單個(gè)W的摻雜會(huì)產(chǎn)生自旋極化并伴有2.0μB的磁矩。當(dāng)2個(gè)W原子摻雜進(jìn)入石墨烯后，根據(jù)晶體方向和2個(gè)W原子之間的相對(duì)距離，材料可以表現(xiàn)出鐵磁，反鐵磁和順磁態(tài)。進(jìn)一步的分析顯示，當(dāng)2個(gè)W原子距離很遠(yuǎn)時(shí)，類(lèi)RKKY作用起到重要作用;當(dāng)2個(gè)W原子距離很近時(shí)，由于2個(gè)W原子的直接作用，體系呈現(xiàn)出順