氮掺杂(1120) ZnO 薄膜磁性质研究

李明标; 张天羡; 史力斌

doi:10.7498/aps.60.097504

摘要

采用基于密度泛函理论(DFT)和局域密度近似(LDA)的第一性原理分析了氮掺杂(1120) ZnO 薄膜的磁性质.首先,研究了一个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,结果表明N 2p,O 2p和Zn 3d 发生自发自旋极化.其次,研究了二个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,9个不同几何结构的计算结果表明N原子之间具有FM耦合稳定性,而且具体分析了N掺杂ZnO铁磁稳定性的产生原因.最后,讨论了氮

关键词:

第一性原理 /
半导体 /
铁磁性

By using the first principles method based on the density function theory (DFT) and the local density approximation (LDA), we study the ferromagnetic properties in N-doped(1120) ZnO thin films. Magnetic properties in one-N-doped ZnO are investigated. The spontaneous spin polarization comes from N 2p, O 2p and Zn 3d. Magnetic properties in two-N-doped ZnO are also investigated. The calculated results show that ferromagnetism (FM) coupling between N atoms is more energetically favorable for nine geometrically distinct configurations. The origin of the FM state in N-doped ZnO is also discussed by analyzing the coupling of N levels. Finally, the magnetic exchange coefficient and the Curie temperature are discussed. The result indicates that N-doped ZnO thin films show weak FM properties.

Keywords:

作者及机构信息

1.
渤海大学数理学院,锦州 121013

基金项目: 辽宁省教育厅项目(批准号:L2010003)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Mathematics and Physics, Bohai University, Jinzhou 121013, China

参考文献

[1]	Pan F, Song C, Liu X J, Yang Y C, Zeng F, 2008 Materials Science and Engineering R 62 1
[2]
[3]	Schallenberg T, Munekata H 2006 Appl. Phys. Lett. 89 042507
[4]
[5]	Nazmul A M, Sugahara S, Tanaka M 2003 Phys. Rev. B 67 241308
[6]	Shi L B, Kang L, Jin J W, Chi F 2009 Chin Phys. B 18 4418
[7]
[8]
[9]	Cheng X W, Li X, Gao Y L, Yu Z, Long X, Liu Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 2018 (in Chinese) [程兴旺、李祥、高院玲、于宙、龙雪、刘颖 2009 物理学报 59 2018]
[10]	Liu X C, Lu Z H, Zhang F M 2010 Chin Phys. B 19 027502
[11]
[12]
[13]	Lu Z L, Zou W Q, Xu M X, Zhang F M 2010 Chin. Phys. B 19 056101
[14]	Shi H L, Duan Y F 2008 J. Appl. Phys. 103 073903
[15]
[16]
[17]	Pan H, Yi J B, Shen L, Wu R Q, Yang J H, Lin J Y, Feng Y P, Ding J, Van L H, Yin J H 2007 Phys. Rev. Lett. 99 127201
[18]
[19]	Zhou S Q, Xu Q Y, Potzger K 2008 Appl. Phys. Lett. 93 232507
[20]
[21]	Herng T S, Lau S P, Wang L, Zhao B C, Yu S F, Tanemura M, Akaike A 2009 Appl. Phys. Lett. 95 012505
[22]	Shen L, Wu R Q, Pan H, Peng G W, Yang M, Sha Z D, Feng Y P 2008 Phys. Rev B 78 073306
[23]
[24]	Payne M C, Teter M P, Allan D C, Arias T A, Joannopoulos J D 1992 Rev. Mod. Phys. 64 1045
[25]
[26]
[27]	Ceperley D M, Alder B J 1980 Phys. Rev. Lett. 45 566
[28]
[29]	Perdew J P, Zunger A 1981 Phys. Rev. B 23 5048
[30]	Yang Y, Qi J, Zhang Y, Liao Q, Tang L, Qin Z 2008 Appl. Phys. Lett. 92 183117
[31]
[32]	Assadi M H N, Zhang Y B, Li S 2009 J. Appl. Phys. 105 043906
[33]
[34]
[35]	Wang Q, Sun Q, Jena P, Kawazoe Y 2009 Phys. Rev. B 79 115407
[36]
[37]	WaLsh A, Silva J L F, Wei S H 2008 Phys. Rev. Lett. 100 256401
[38]
[39]	Dev P, Xue Y and Zhang P 2008 Phys. Rev. Lett. 100 117204
[40]
[41]	Turek I, Kudrnovsk J, Bihlmayer G, Blugel S 2003 J. Phys.: Condens. Matter 15 2771
[42]	Kurz P, Bihlmayer G, Blugel S 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 6353
[43]
[44]
[45]	Bergqvist L, Kudrnovsky J, Drchal V, Korzhavyi P, Turek I 2004 Phys. Rev. Lett. 93 137202
[46]	Wu Q Y, Chen Z G, Wu R, Xu G G, Huang Z G, Zhang F M, Du Y W 2007 Solid State Communciations 142 242
[47]
[48]	Shi L B, Jin J W, Xu C Y 2010 Modern Physics Letters B 2171
[49]

施引文献

[1]	Pan F, Song C, Liu X J, Yang Y C, Zeng F, 2008 Materials Science and Engineering R 62 1
[2]
[3]	Schallenberg T, Munekata H 2006 Appl. Phys. Lett. 89 042507
[4]
[5]	Nazmul A M, Sugahara S, Tanaka M 2003 Phys. Rev. B 67 241308
[6]	Shi L B, Kang L, Jin J W, Chi F 2009 Chin Phys. B 18 4418
[7]
[8]
[9]	Cheng X W, Li X, Gao Y L, Yu Z, Long X, Liu Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 2018 (in Chinese) [程兴旺、李祥、高院玲、于宙、龙雪、刘颖 2009 物理学报 59 2018]
[10]	Liu X C, Lu Z H, Zhang F M 2010 Chin Phys. B 19 027502
[11]
[12]
[13]	Lu Z L, Zou W Q, Xu M X, Zhang F M 2010 Chin. Phys. B 19 056101
[14]	Shi H L, Duan Y F 2008 J. Appl. Phys. 103 073903
[15]
[16]
[17]	Pan H, Yi J B, Shen L, Wu R Q, Yang J H, Lin J Y, Feng Y P, Ding J, Van L H, Yin J H 2007 Phys. Rev. Lett. 99 127201
[18]
[19]	Zhou S Q, Xu Q Y, Potzger K 2008 Appl. Phys. Lett. 93 232507
[20]
[21]	Herng T S, Lau S P, Wang L, Zhao B C, Yu S F, Tanemura M, Akaike A 2009 Appl. Phys. Lett. 95 012505
[22]	Shen L, Wu R Q, Pan H, Peng G W, Yang M, Sha Z D, Feng Y P 2008 Phys. Rev B 78 073306
[23]
[24]	Payne M C, Teter M P, Allan D C, Arias T A, Joannopoulos J D 1992 Rev. Mod. Phys. 64 1045
[25]
[26]
[27]	Ceperley D M, Alder B J 1980 Phys. Rev. Lett. 45 566
[28]
[29]	Perdew J P, Zunger A 1981 Phys. Rev. B 23 5048
[30]	Yang Y, Qi J, Zhang Y, Liao Q, Tang L, Qin Z 2008 Appl. Phys. Lett. 92 183117
[31]
[32]	Assadi M H N, Zhang Y B, Li S 2009 J. Appl. Phys. 105 043906
[33]
[34]
[35]	Wang Q, Sun Q, Jena P, Kawazoe Y 2009 Phys. Rev. B 79 115407
[36]
[37]	WaLsh A, Silva J L F, Wei S H 2008 Phys. Rev. Lett. 100 256401
[38]
[39]	Dev P, Xue Y and Zhang P 2008 Phys. Rev. Lett. 100 117204
[40]
[41]	Turek I, Kudrnovsk J, Bihlmayer G, Blugel S 2003 J. Phys.: Condens. Matter 15 2771
[42]	Kurz P, Bihlmayer G, Blugel S 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 6353
[43]
[44]
[45]	Bergqvist L, Kudrnovsky J, Drchal V, Korzhavyi P, Turek I 2004 Phys. Rev. Lett. 93 137202
[46]	Wu Q Y, Chen Z G, Wu R, Xu G G, Huang Z G, Zhang F M, Du Y W 2007 Solid State Communciations 142 242
[47]
[48]	Shi L B, Jin J W, Xu C Y 2010 Modern Physics Letters B 2171
[49]

[1]	郭宇, 周思, 赵纪军. 新型层状Bi₂Se₃的第一性原理研究. 物理学报, 2021, 70(2): 027102. doi: 10.7498/aps.70.20201434
[2]	姚仲瑜, 孙丽, 潘孟美, 孙书娟, 刘汉军. 第一性原理研究half-Heusler合金VLiBi和CrLiBi的半金属铁磁性. 物理学报, 2018, 67(21): 217501. doi: 10.7498/aps.67.20181129
[3]	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
[4]	林俏露, 李公平, 许楠楠, 刘欢, 王苍龙. 金红石TiO2本征缺陷磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2017, 66(3): 037101. doi: 10.7498/aps.66.037101
[5]	潘凤春, 徐佳楠, 杨花, 林雪玲, 陈焕铭. 非掺杂锐钛矿相TiO2铁磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(5): 056101. doi: 10.7498/aps.66.056101
[6]	曹娟, 崔磊, 潘靖. V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(18): 187102. doi: 10.7498/aps.62.187102
[7]	黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿. 应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(16): 167502. doi: 10.7498/aps.62.167502
[8]	王爱玲, 毋志民, 王聪, 胡爱元, 赵若禺. 新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(13): 137101. doi: 10.7498/aps.62.137101
[9]	吴孔平, 顾书林, 朱顺明, 黄友锐, 周孟然. 非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究. 物理学报, 2012, 61(5): 057503. doi: 10.7498/aps.61.057503
[10]	文黎巍, 王玉梅, 裴慧霞, 丁俊. Sb系half-Heusler合金磁性及电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(4): 047110. doi: 10.7498/aps.60.047110
[11]	胡玉平, 平凯斌, 闫志杰, 杨雯, 宫长伟. Finemet合金析出相-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(10): 107504. doi: 10.7498/aps.60.107504
[12]	王风, 王新强, 聂招秀, 程志梅, 刘高斌. 三元化合物ZnVSe2半金属铁磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(4): 046301. doi: 10.7498/aps.60.046301
[13]	肖振林, 史力斌. 利用第一性原理研究Ni掺杂ZnO铁磁性起源. 物理学报, 2011, 60(2): 027502. doi: 10.7498/aps.60.027502
[14]	罗礼进, 仲崇贵, 全宏瑞, 谭志中, 蒋青, 江学范. Heusler合金Mn2NiGe磁性形状记忆效应的第一性原理预测. 物理学报, 2010, 59(11): 8037-8041. doi: 10.7498/aps.59.8037
[15]	梁志鹏, 董正超. 半导体/磁性d波超导隧道结中的散粒噪声. 物理学报, 2010, 59(2): 1288-1293. doi: 10.7498/aps.59.1288
[16]	程兴旺, 李祥, 高院玲, 于宙, 龙雪, 刘颖. Co掺杂的ZnO室温铁磁半导体材料制备与磁性和光学特性研究. 物理学报, 2009, 58(3): 2018-2022. doi: 10.7498/aps.58.2018
[17]	林竹, 郭志友, 毕艳军, 董玉成. Cu掺杂的AlN铁磁性和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(3): 1917-1923. doi: 10.7498/aps.58.1917
[18]	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
[19]	冯晶, 肖冰, 陈敬超. CuInSe2电子结构与光学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2007, 56(10): 5990-5995. doi: 10.7498/aps.56.5990
[20]	匡安龙, 刘兴翀, 路忠林, 任尚坤, 刘存业, 张凤鸣, 都有为. 稀释磁性半导体Sn1-xMnxO2的室温铁磁性. 物理学报, 2005, 54(6): 2934-2937. doi: 10.7498/aps.54.2934

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