Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性

张富春; 张威虎; 董军堂; 张志勇

doi:10.7498/aps.60.127503

摘要

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Cr掺杂ZnO纳米线的电学、磁学以及光学属性.计算结果显示,Cr原子沿[0001]方向替代ZnO纳米线中的Zn原子时体系一般呈现铁磁耦合,沿[1010]和[0110]方向替代Zn原子时体系呈现反铁磁耦合,且磁性耦合状态在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的Cr 3d和O 2p杂化效应.自旋态密度计算结果显示,磁矩主要来源于Cr原子未成对3d态电子的贡献,磁矩的大小与Cr原子的电子排布有关.光学性质计算结果显示,Cr掺杂ZnO纳米线在远紫外和近紫外都具有明显的吸收峰,吸收峰发生了明显的红移.这些结果都表明Cr掺杂ZnO纳米线也许是一种很有前途的稀磁半导体材料.

关键词:

ZnO /
纳米线 /
第一性原理 /
磁性

Abstract

According to the spin-polarized density functional theory, we study the electronic structures, the magnetic and the optical properties of Cr-doped ZnO nanowires. The calculated results show ferromagnetic coupling for Cr atoms substitution for Zn atoms in ZnO nanowires along the [0001] direction, and the antiferromagnetic coupling with Cr-doped in ZnO nanowires along the [1010] and [0110] directions. The results reveal that the magnetic coupling state near the Fermi level gives rise to such a spin splitting phenomenon near the Fermi level, which indicates that Cr 3d and O 2p orbitals have intense hybrid effects. In addition, the spin electronic density results indicate that system magnetic moments are generated mainly by the unpaired 3d electrons of Cr atoms and are also related to the electron configuration. Moreover, the results of optical properties show that the obvious absorption peaks are observed in the far ultraviolet and the near ultraviolet regions and there is a red shift phenomenon in the ultraviolet region. These results indicate that the Cr-doped ZnO nanowires could be a promising dilute magnetic semiconductor material.

Keywords:

作者及机构信息

1.
延安大学物理与电子信息学院, 延安 716000;

2.
西北大学信息科学与技术学院, 西安 710127

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60976069)、陕西省自然科学基金(批准号:2010JM8020)、陕西省教育厅科学研究计划(批准号:2010JK923,11JK0846)和延安大学博士科研启动基金(批准号:YD2009-01)资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Physics and Electronic Information, Yan’an University, Yan’an 716000, China;

2.
School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China

参考文献

[1]	Ohno H 1998 Science 281 951
[2]
[3]	Pan Z W, Dai Z R, Wang Z L 2001 Science 291 1947
[4]
[5]	Jian W B, Wu Z Y, Huang R T, Chiang S J, Lan M D, Lin J J 2006 Phys. Rev. B 73 233308
[6]	Sluiter M H F, Kawazoe Y, Sharma P, Inoue A, Raju A R, Rout C, Waghmare U V 2005 Phys. Rev. Lett. 94 187204
[7]
[8]	Kulkarni J S, Kazakova O, Holmes J D 2006 Appl. Phys. A 85 277
[9]
[10]
[11]	Chang Y Q, Wang D B, Luo X H, Xu X Y, Chen X H, Li L, Chen C P, Wang R M, Xu J, Yu D P 2003 Appl. Phys. Lett. 83 4020
[12]
[13]	Chou S Y, Krauss P R, Zhang W J 1997 Vac. Sci. Technol. B 15 2897
[14]	Dietl T, Ohno H, Matsukura F, Cubert J, Ferrand D 2000 Science 287 1019
[15]
[16]
[17]	Ueda K, Tabata H, Kawai K 2001 Appl. Phys. Lett. 79 988
[18]	Cho Y M, Choo W K, Kim H, Kim D, Ihm Y E 2002 Appl. Phys. Lett. 80 3358
[19]
[20]	Jung S W, An S J, Yi G C, Jung C U, Lee S I, Cho S 2002 Appl. Phys. Lett. 80 4561
[21]
[22]
[23]	Neal J R, Behan A J, Ibrahim R M, Blythe H J, Ziese M, Fox A M, Gehring G A 2006 Phys. Rev. Lett. 96 197208
[24]
[25]	Yuan P F, Ding Z J, Ju X 2008 Chin. Phys. Lett. 25 1030
[26]
[27]	Jun Y, Jung Y, Cheon J 2002 J. Am. Chem. Soc. 124 615
[28]	Lorite I, Rubio-Marcos F, Romero J J, Fernandez J F 2009 Mater. Lett. 63 212
[29]
[30]
[31]	Norberg N S, Kittilstved K R, Amonette J E 2004 J. Am. Chem. Soc. 126 9387
[32]
[33]	Liu J J, Yu M H, Zhou W L 2005 Appl. Phys. Lett. 87 172505
[34]
[35]	Zhang X M, Zhang Y, Wang Z L 2008 Appl. Phys. Lett. 92 162102
[36]	Chu D W, Zeng Y P, Jiang D L 2007 Solid State Commun. 143 308
[37]
[38]	Roberts B K, Pakhomov A B, Krishnan K M 2008 J. Appl. Phys. 103 07D133
[39]
[40]	Li Y B, Li Y, Zhu M Y, Yang T, Huang J, Jin H M, Hu Y M 2010 Solid State Commun. 150 751
[41]
[42]	Ueda K, Tabata H, Kawai T 2001 Appl. Phys. Lett. 79 988
[43]
[44]	Jin Z, Fukumura T, Kawasaki M, Ando K, Saito H, Sekiguchi T, Yoo Y Z, Murakami M, Matsumoto Y, Hasegawa T, Koinuma H 2001 Appl. Phys. Lett. 78 3824
[45]
[46]
[47]	Lee H J, Jeong S Y, Hwang J Y, Cho C R 2003 Eur. Phys. Lett. 64 797
[48]	Clark S J, Segall M D, Pickard C J, Hasnip P J, Probert M I J, Refson K, Payne M C 2005 Z. Kristallogr. 220 567
[49]
[50]	Wang Y, Perdew J P 1991 Phys. Rev. B 44 013298
[51]
[52]
[53]	Sapra A, Sarma D D 2004 Phys. Rev. B 69 25304
[54]
[55]	Wander A, Harrison N M 2000 Surf. Sci. Lett. 23 L342
[56]
[57]	Wang Q, Sun Q, Jena P, Kawazoe Y 2005 Appl. Phys. Lett. 87 162509
[58]
[59]	Hu Y M, Chen Y T, Zhong Z X, Yu C C, Chen G J, Huang P Z, Chou W Y, Chang J, Wang C R 2008 Appl. Surf. Sci. 254 3873
[60]
[61]	Chua D, Zeng Y P, Jiang D L 2007 Solid State Commum. 143 308
[62]
[63]	Liu H, Zhang X, Li L Y, Wang Y X, Gao K H, Li Z Q, Zheng R K, Ringer S P, Zhang B, Zhang X X 2007 Appl. Phys. Lett. 91 072511
[64]
[65]	Zhang Z H, Qi X Y, Jian J K, Duan X F 2006 Micron 37 229
[66]
[67]	Kong Y C, Yu D P, Zhang B, Fang W, Feng S Q 2001 Appl. Phys. Lett. 78 407
[68]	Chen T, Xing G Z, Zhang Z, Chen H Y, Wu T 2008 Nanotechnology 19 435711
[69]
[70]
[71]	Twardowski A, Dietl T, Demianiuk M 1983 Solid State Commun. 48 845
[72]	Kolodziejski L A, Gunshor R L, Venkatasubramanian R, Bonsett T C, Frohne R, Datta S, Otsuka N, Bylsma R B, Becker W M, Nurmikko A V 1986 J. Vac. Sci. Technol. B 4 583
[73]
[74]	Lee Y R, Ramdas A K, Aggarwal R L 1988 Phys. Rev. B 38 10600
[75]

施引文献

[1]	Ohno H 1998 Science 281 951
[2]
[3]	Pan Z W, Dai Z R, Wang Z L 2001 Science 291 1947
[4]
[5]	Jian W B, Wu Z Y, Huang R T, Chiang S J, Lan M D, Lin J J 2006 Phys. Rev. B 73 233308
[6]	Sluiter M H F, Kawazoe Y, Sharma P, Inoue A, Raju A R, Rout C, Waghmare U V 2005 Phys. Rev. Lett. 94 187204
[7]
[8]	Kulkarni J S, Kazakova O, Holmes J D 2006 Appl. Phys. A 85 277
[9]
[10]
[11]	Chang Y Q, Wang D B, Luo X H, Xu X Y, Chen X H, Li L, Chen C P, Wang R M, Xu J, Yu D P 2003 Appl. Phys. Lett. 83 4020
[12]
[13]	Chou S Y, Krauss P R, Zhang W J 1997 Vac. Sci. Technol. B 15 2897
[14]	Dietl T, Ohno H, Matsukura F, Cubert J, Ferrand D 2000 Science 287 1019
[15]
[16]
[17]	Ueda K, Tabata H, Kawai K 2001 Appl. Phys. Lett. 79 988
[18]	Cho Y M, Choo W K, Kim H, Kim D, Ihm Y E 2002 Appl. Phys. Lett. 80 3358
[19]
[20]	Jung S W, An S J, Yi G C, Jung C U, Lee S I, Cho S 2002 Appl. Phys. Lett. 80 4561
[21]
[22]
[23]	Neal J R, Behan A J, Ibrahim R M, Blythe H J, Ziese M, Fox A M, Gehring G A 2006 Phys. Rev. Lett. 96 197208
[24]
[25]	Yuan P F, Ding Z J, Ju X 2008 Chin. Phys. Lett. 25 1030
[26]
[27]	Jun Y, Jung Y, Cheon J 2002 J. Am. Chem. Soc. 124 615
[28]	Lorite I, Rubio-Marcos F, Romero J J, Fernandez J F 2009 Mater. Lett. 63 212
[29]
[30]
[31]	Norberg N S, Kittilstved K R, Amonette J E 2004 J. Am. Chem. Soc. 126 9387
[32]
[33]	Liu J J, Yu M H, Zhou W L 2005 Appl. Phys. Lett. 87 172505
[34]
[35]	Zhang X M, Zhang Y, Wang Z L 2008 Appl. Phys. Lett. 92 162102
[36]	Chu D W, Zeng Y P, Jiang D L 2007 Solid State Commun. 143 308
[37]
[38]	Roberts B K, Pakhomov A B, Krishnan K M 2008 J. Appl. Phys. 103 07D133
[39]
[40]	Li Y B, Li Y, Zhu M Y, Yang T, Huang J, Jin H M, Hu Y M 2010 Solid State Commun. 150 751
[41]
[42]	Ueda K, Tabata H, Kawai T 2001 Appl. Phys. Lett. 79 988
[43]
[44]	Jin Z, Fukumura T, Kawasaki M, Ando K, Saito H, Sekiguchi T, Yoo Y Z, Murakami M, Matsumoto Y, Hasegawa T, Koinuma H 2001 Appl. Phys. Lett. 78 3824
[45]
[46]
[47]	Lee H J, Jeong S Y, Hwang J Y, Cho C R 2003 Eur. Phys. Lett. 64 797
[48]	Clark S J, Segall M D, Pickard C J, Hasnip P J, Probert M I J, Refson K, Payne M C 2005 Z. Kristallogr. 220 567
[49]
[50]	Wang Y, Perdew J P 1991 Phys. Rev. B 44 013298
[51]
[52]
[53]	Sapra A, Sarma D D 2004 Phys. Rev. B 69 25304
[54]
[55]	Wander A, Harrison N M 2000 Surf. Sci. Lett. 23 L342
[56]
[57]	Wang Q, Sun Q, Jena P, Kawazoe Y 2005 Appl. Phys. Lett. 87 162509
[58]
[59]	Hu Y M, Chen Y T, Zhong Z X, Yu C C, Chen G J, Huang P Z, Chou W Y, Chang J, Wang C R 2008 Appl. Surf. Sci. 254 3873
[60]
[61]	Chua D, Zeng Y P, Jiang D L 2007 Solid State Commum. 143 308
[62]
[63]	Liu H, Zhang X, Li L Y, Wang Y X, Gao K H, Li Z Q, Zheng R K, Ringer S P, Zhang B, Zhang X X 2007 Appl. Phys. Lett. 91 072511
[64]
[65]	Zhang Z H, Qi X Y, Jian J K, Duan X F 2006 Micron 37 229
[66]
[67]	Kong Y C, Yu D P, Zhang B, Fang W, Feng S Q 2001 Appl. Phys. Lett. 78 407
[68]	Chen T, Xing G Z, Zhang Z, Chen H Y, Wu T 2008 Nanotechnology 19 435711
[69]
[70]
[71]	Twardowski A, Dietl T, Demianiuk M 1983 Solid State Commun. 48 845
[72]	Kolodziejski L A, Gunshor R L, Venkatasubramanian R, Bonsett T C, Frohne R, Datta S, Otsuka N, Bylsma R B, Becker W M, Nurmikko A V 1986 J. Vac. Sci. Technol. B 4 583
[73]
[74]	Lee Y R, Ramdas A K, Aggarwal R L 1988 Phys. Rev. B 38 10600
[75]

[1]	黄炳铨, 周铁戈, 吴道雄, 张召富, 李百奎. 空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析. 物理学报, 2019, 68(24): 246301. doi: 10.7498/aps.68.20191258
[2]	侯清玉, 李勇, 赵春旺. Al掺杂和空位对ZnO磁性影响的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(6): 067202. doi: 10.7498/aps.66.067202
[3]	李铭杰, 高红, 李江禄, 温静, 李凯, 张伟光. 低温下单根ZnO纳米带电学性质的研究. 物理学报, 2013, 62(18): 187302. doi: 10.7498/aps.62.187302
[4]	刘玮洁, 孙正昊, 黄宇欣, 冷静, 崔海宁. 不同价态稀土元素Yb掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 物理学报, 2013, 62(12): 127101. doi: 10.7498/aps.62.127101
[5]	李泓霖, 张仲, 吕英波, 黄金昭, 张英, 刘如喜. 第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质. 物理学报, 2013, 62(4): 047101. doi: 10.7498/aps.62.047101
[6]	秦杰明, 田立飞, 赵东旭, 蒋大勇, 曹建明, 丁梦, 郭振. 一维氧化锌纳米结构生长及器件制备研究进展. 物理学报, 2011, 60(10): 107307. doi: 10.7498/aps.60.107307
[7]	程志达, 朱静, 孙铁昱. 面心立方单晶镍纳米线稳定性及磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(3): 037504. doi: 10.7498/aps.60.037504
[8]	邵铮铮, 王晓峰, 张学骜, 常胜利. 原子力显微技术研究ZnO纳米棒的压电放电特性. 物理学报, 2010, 59(1): 550-554. doi: 10.7498/aps.59.550
[9]	袁娣, 黄多辉, 罗华峰, 王藩侯. Li, N双受主共掺杂实现p型ZnO的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6457-6465. doi: 10.7498/aps.59.6457
[10]	陈珊, 吴青云, 陈志高, 许桂贵, 黄志高. ZnO1-xCx稀磁半导体的磁特性的第一性原理和蒙特卡罗研究. 物理学报, 2009, 58(3): 2011-2017. doi: 10.7498/aps.58.2011
[11]	严国清, 谢凯旋, 莫仲荣, 路忠林, 邹文琴, 王申, 岳凤娟, 吴镝, 张凤鸣, 都有为. 共沉淀法制备Co掺杂ZnO的室温铁磁性的研究. 物理学报, 2009, 58(2): 1237-1241. doi: 10.7498/aps.58.1237
[12]	关丽, 李强, 赵庆勋, 郭建新, 周阳, 金利涛, 耿波, 刘保亭. Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5624-5631. doi: 10.7498/aps.58.5624
[13]	于宙, 李祥, 龙雪, 程兴旺, 王晶云, 刘颖, 曹茂盛, 王富耻. Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4539-4544. doi: 10.7498/aps.57.4539
[14]	羊新胜, 赵勇. 铁磁性锰氧化物掺杂的ZnO压敏电阻性能研究. 物理学报, 2008, 57(5): 3188-3192. doi: 10.7498/aps.57.3188
[15]	黄金华, 张琨, 潘楠, 高志伟, 王晓平. 表面修饰ZnO纳米线紫外光响应的增强效应. 物理学报, 2008, 57(12): 7855-7859. doi: 10.7498/aps.57.7855
[16]	毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
[17]	李晖, 谢二庆, 张洪亮, 潘孝军, 张永哲. 火焰喷雾法合成ZnO和MgxZn1－xO纳米颗粒的光学性能研究. 物理学报, 2007, 56(6): 3584-3588. doi: 10.7498/aps.56.3584
[18]	常艳玲, 张琦锋, 孙晖, 吴锦雷. ZnO纳米线双绝缘层结构电致发光器件制备及特性研究. 物理学报, 2007, 56(4): 2399-2404. doi: 10.7498/aps.56.2399
[19]	段满益, 徐明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
[20]	刘学超, 施尔畏, 宋力昕, 张华伟, 陈之战. 固相反应法制备Co掺杂ZnO的磁性和光学性能研究. 物理学报, 2006, 55(5): 2557-2561. doi: 10.7498/aps.55.2557

计量

文章访问数: 10005
PDF下载量: 885
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板