搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

Gd掺杂ZnO纳米线磁耦合性质的第一性原理研究

张燕如 张琳 任俊峰 原晓波 胡贵超

引用本文:
Citation:

Gd掺杂ZnO纳米线磁耦合性质的第一性原理研究

张燕如, 张琳, 任俊峰, 原晓波, 胡贵超

Magnetic coupling properties of Gd-doped ZnO nanowires studied by first-principles calculations

Zhang Yan-Ru, Zhang Lin, Ren Jun-Feng, Yuan Xiao-Bo, Hu Gui-Chao
PDF
导出引用
  • 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了钆(Gd)掺杂氧化锌(ZnO)纳米线的磁耦合特性. 讨论了两个Gd原子替换ZnO纳米线中不同位置Zn原子的各种可能情况. 计算发现, ZnO中掺杂的Gd原子处于相邻的位置时它们之间的相互作用是铁磁性的, 并且体系的铁磁性可以通过注入合适数目的电子来得到加强. 同时发现Gd掺杂ZnO纳米线后s-f耦合作用变得显著, 使得体系的铁磁性变得更加稳定, 这也是Gd掺杂ZnO纳米线呈现铁磁性的原因. 这些结果为实验上发现的Gd掺杂ZnO纳米线呈铁磁性提供了理论依据.
    Magnetic coupling properties of Gd-doped ZnO nanowires are studied theoretically by using first-principles calculations. Several positions of Zn atoms that may be substituted by Gd atoms in ZnO nanowires are discussed. Numerical results show that the magnetic coupling is ferromagnetic when the two Gd atoms doped in ZnO nanowires are near each other. Injection of suitable amount of electrons can enforce these ferromagnetic properties in Gd-doped ZnO nanowires. It is also found that s-f coupling becomes remarkable when the Gd atoms are doped in ZnO nanowires, making the ferromagnetic coupling state more stable than the anti-ferromagnetic coupling state, and this is also the mechanism to elucidate the origination of ferromagnetic state in Gd-doped ZnO nanowires in experiments. These results will give a theoretical support for those who found experimentally that Gd-doped ZnO nanowires show ferromagnetic properties.
      通信作者: 任俊峰, renjf@sdnu.edu.cn
    • 基金项目: 山东省高等学校科技计划项目(批准号: J13LA05)和山东省自然科学基金(批准号: ZR2014AM017)资助的课题.
      Corresponding author: Ren Jun-Feng, renjf@sdnu.edu.cn
    • Funds: Project supported by the Shandong Province Higher Educational Science and Technology Program, China (Grant No. J13LA05) and the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (Grant No. ZR2014AM017).
    [1]

    Dietl T 2010 Nat. Mater. 9 965

    [2]

    Lin W X, Weng Z Z, Zhang J M, Huang Z G 2011 Chin.Phys. B 20 027103

    [3]

    Yi J B, Lim C C, Xing G Z, Fan H M, Van L H, Huang S L, Yang K S, Huang X L, Qin X B, Wang B Y, Wu T, Wang L, Zhang H T, Gao X Y, Liu T, Wee A T, Feng Y P, Ding J 2010 Phys. Rev. Lett. 104 137201

    [4]

    Zheng Y 2013 Appl. Phys. A 112 241

    [5]

    Sato K, Bergqvist L, Kudrnovsky J, Dederichs P H, Eriksson O, Turek I, Sanyal B, Bouzerar G, Katayama-Yoshida H, Dinh V A, Fukushima T, Kizaki H, Zeller R 2010 Rev. Mod. Phys. 82 1633

    [6]

    Lu Y B, Dai Y, Guo M, Yu L, Huang B 2013 Phys. Chem. Chem. Phys. 15 5208

    [7]

    Chen R, Ye Q L, He T, Ta V D, Ying Y, Tay Y Y, Wu T, Sun H 2013 Nano. Lett. 13 734

    [8]

    Segura-Ruiz J, Martinez-Criado G, Chu M H, Geburt S, Ronning C 2011 Nano Lett. 11 5322

    [9]

    Chen Q, Wang J L 2009 Chem. Phys. Lett. 474 336

    [10]

    Banerjee S, Mandal M, Gayathrib N, Sardar M 2007 Appl. Phys. Lett. 91 182501

    [11]

    Hong N H, Sakai J, Brize V 2007 J. Phys.: Condens. Mater. 19 036219

    [12]

    Xu Q, Schmidt H, Zhou S Q, Potzger K, Helm M, Hochmuth H, Lorenz M, Setzer A, Esquinazi P, Meinecke C, Grundmann M 2008 Appl. Phys. Lett. 92 082508

    [13]

    Dietl T, Ohno H, Matsukura F 2011 Phys. Rev. B 63 195205

    [14]

    Sain S, Bhattacharjee J, Mukherjee M, Das D, Pradhan S K 2012 J. Alloys Compd. 519 112

    [15]

    Chikoidze E, Boshta M, Sayed M H, Dumont Y 2013 J. Appl. Phys. 113 043713

    [16]

    Zhang F C, Dong J T, Zhang W H, Zhang Z Y 2013 Chin. Phys. B 22 027503

    [17]

    Guptam M K, Kumar B 2011 J. Mater. Chem. 10 1039

    [18]

    Kumar S, Sahare P D 2012 J. Rare Rarths 30 761

    [19]

    El Hachimi A G, Zaari H, Benyoussef A, El Yadari M, El Kenz A 2014 J. Rare Rarths 32 715

    [20]

    Dalpian G M, Wei S H 2005 Phys. Rev. B 72 115201

    [21]

    Shi H L, Zhang P, Li S S, Xia J B 2009 J. Appl. Phys. 106 023910

    [22]

    Yang Y H, Feng Y P, Zhu H G, Yang G W 2010 J. Appl. Phys. 107 053502

    [23]

    Bantouna I, Goumri-Said S, Kanoun M B, Manchon A, Roqan I, Schwingenschlög U 2011 J. Appl. Phys. 109 083929

    [24]

    Dakhel A A, El-Hilo M 2010 J. Appl. Phys. 107 123905

    [25]

    Ma X Y 2012 Thin Solid Films 520 5752

    [26]

    Kresse G, Furthmuller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169

    [27]

    Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [28]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [29]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [30]

    Kisi E H, Elcombe M M 1989 Acta Cryst. C: Cryst. Struct. Commun. 45 1867

    [31]

    Ungureanu M, Schmidt H, Wenckstern H V, Hochmuth H, Lorenz M, Grundmann M, Fecioru-Morariu M, Güntherodt G 2007 Thin solid Films 515 8761

  • [1]

    Dietl T 2010 Nat. Mater. 9 965

    [2]

    Lin W X, Weng Z Z, Zhang J M, Huang Z G 2011 Chin.Phys. B 20 027103

    [3]

    Yi J B, Lim C C, Xing G Z, Fan H M, Van L H, Huang S L, Yang K S, Huang X L, Qin X B, Wang B Y, Wu T, Wang L, Zhang H T, Gao X Y, Liu T, Wee A T, Feng Y P, Ding J 2010 Phys. Rev. Lett. 104 137201

    [4]

    Zheng Y 2013 Appl. Phys. A 112 241

    [5]

    Sato K, Bergqvist L, Kudrnovsky J, Dederichs P H, Eriksson O, Turek I, Sanyal B, Bouzerar G, Katayama-Yoshida H, Dinh V A, Fukushima T, Kizaki H, Zeller R 2010 Rev. Mod. Phys. 82 1633

    [6]

    Lu Y B, Dai Y, Guo M, Yu L, Huang B 2013 Phys. Chem. Chem. Phys. 15 5208

    [7]

    Chen R, Ye Q L, He T, Ta V D, Ying Y, Tay Y Y, Wu T, Sun H 2013 Nano. Lett. 13 734

    [8]

    Segura-Ruiz J, Martinez-Criado G, Chu M H, Geburt S, Ronning C 2011 Nano Lett. 11 5322

    [9]

    Chen Q, Wang J L 2009 Chem. Phys. Lett. 474 336

    [10]

    Banerjee S, Mandal M, Gayathrib N, Sardar M 2007 Appl. Phys. Lett. 91 182501

    [11]

    Hong N H, Sakai J, Brize V 2007 J. Phys.: Condens. Mater. 19 036219

    [12]

    Xu Q, Schmidt H, Zhou S Q, Potzger K, Helm M, Hochmuth H, Lorenz M, Setzer A, Esquinazi P, Meinecke C, Grundmann M 2008 Appl. Phys. Lett. 92 082508

    [13]

    Dietl T, Ohno H, Matsukura F 2011 Phys. Rev. B 63 195205

    [14]

    Sain S, Bhattacharjee J, Mukherjee M, Das D, Pradhan S K 2012 J. Alloys Compd. 519 112

    [15]

    Chikoidze E, Boshta M, Sayed M H, Dumont Y 2013 J. Appl. Phys. 113 043713

    [16]

    Zhang F C, Dong J T, Zhang W H, Zhang Z Y 2013 Chin. Phys. B 22 027503

    [17]

    Guptam M K, Kumar B 2011 J. Mater. Chem. 10 1039

    [18]

    Kumar S, Sahare P D 2012 J. Rare Rarths 30 761

    [19]

    El Hachimi A G, Zaari H, Benyoussef A, El Yadari M, El Kenz A 2014 J. Rare Rarths 32 715

    [20]

    Dalpian G M, Wei S H 2005 Phys. Rev. B 72 115201

    [21]

    Shi H L, Zhang P, Li S S, Xia J B 2009 J. Appl. Phys. 106 023910

    [22]

    Yang Y H, Feng Y P, Zhu H G, Yang G W 2010 J. Appl. Phys. 107 053502

    [23]

    Bantouna I, Goumri-Said S, Kanoun M B, Manchon A, Roqan I, Schwingenschlög U 2011 J. Appl. Phys. 109 083929

    [24]

    Dakhel A A, El-Hilo M 2010 J. Appl. Phys. 107 123905

    [25]

    Ma X Y 2012 Thin Solid Films 520 5752

    [26]

    Kresse G, Furthmuller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169

    [27]

    Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [28]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [29]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [30]

    Kisi E H, Elcombe M M 1989 Acta Cryst. C: Cryst. Struct. Commun. 45 1867

    [31]

    Ungureanu M, Schmidt H, Wenckstern H V, Hochmuth H, Lorenz M, Grundmann M, Fecioru-Morariu M, Güntherodt G 2007 Thin solid Films 515 8761

  • [1] 贾晓芳, 侯清玉, 赵春旺. 采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响. 物理学报, 2017, 66(6): 067401. doi: 10.7498/aps.66.067401
    [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] 曲灵丰, 侯清玉, 许镇潮, 赵春旺. Ti掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(15): 157201. doi: 10.7498/aps.65.157201
    [4] 邓胜华, 姜志林. F, Na共掺杂p型ZnO的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(7): 077101. doi: 10.7498/aps.63.077101
    [5] 何静芳, 郑树凯, 周鹏力, 史茹倩, 闫小兵. Cu-Co共掺杂ZnO光电性质的第一性原理计算. 物理学报, 2014, 63(4): 046301. doi: 10.7498/aps.63.046301
    [6] 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
    [7] 令狐佳珺, 梁工英. In掺杂ZnTe发光性能的第一性原理计算. 物理学报, 2013, 62(10): 103102. doi: 10.7498/aps.62.103102
    [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] 梁培, 刘阳, 王乐, 吴珂, 董前民, 李晓艳. 表面悬挂键导致硅纳米线掺杂失效机理的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(15): 153102. doi: 10.7498/aps.61.153102
    [10] 侯清玉, 赵春旺, 李继军, 王钢. Al高掺杂浓度对ZnO导电性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(4): 047104. doi: 10.7498/aps.60.047104
    [11] 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
    [12] 李琦, 范广涵, 熊伟平, 章勇. ZnO 极性表面及其N原子吸附机理的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(6): 4170-4177. doi: 10.7498/aps.59.4170
    [13] 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
    [14] 杨敏, 王六定, 陈国栋, 安博, 王益军, 刘光清. 碳掺杂闭口硼氮纳米管场发射第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(10): 7151-7155. doi: 10.7498/aps.58.7151
    [15] 黄云霞, 曹全喜, 李智敏, 李桂芳, 王毓鹏, 卫云鸽. Al掺杂ZnO粉体的第一性原理计算及微波介电性质. 物理学报, 2009, 58(11): 8002-8007. doi: 10.7498/aps.58.8002
    [16] 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
    [17] 杨银堂, 武 军, 蔡玉荣, 丁瑞雪, 宋久旭, 石立春. p型K:ZnO导电机理的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(11): 7151-7156. doi: 10.7498/aps.57.7151
    [18] 陈 琨, 范广涵, 章 勇, 丁少锋. In-N共掺杂ZnO第一性原理计算. 物理学报, 2008, 57(5): 3138-3147. doi: 10.7498/aps.57.3138
    [19] 陈 琨, 范广涵, 章 勇. Mn掺杂ZnO光学特性的第一性原理计算. 物理学报, 2008, 57(2): 1054-1060. doi: 10.7498/aps.57.1054
    [20] 张金奎, 邓胜华, 金 慧, 刘悦林. ZnO电子结构和p型传导特性的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5371-5375. doi: 10.7498/aps.56.5371
计量
  • 文章访问数:  5281
  • PDF下载量:  244
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-02-11
  • 修回日期:  2015-04-24
  • 刊出日期:  2015-09-05

/

返回文章
返回