近年來,實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的不被期望的d0鐵磁性現(xiàn)象挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的磁學(xué)理論,引發(fā)了磁學(xué)界的激烈爭論成為研究的熱點(diǎn)。作為銜接實(shí)驗(yàn)與理論的計(jì)算模擬方法是探索d0鐵磁性現(xiàn)象背后真實(shí)物理機(jī)制必不可少的方式。本文采用基于密度泛函理論(DFT)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,對存在d0鐵磁性現(xiàn)象的過渡金屬氧化物(TiO2、HfO2)、兩性氧化物(Sn02)、以及堿性氧化物(MgO)的低維體系進(jìn)行了系統(tǒng)的第一性原理計(jì)算研究,為揭示實(shí)驗(yàn)上所觀察到的d0鐵磁性現(xiàn)象提供了非常重要的理論依據(jù)。本文的主要研究成果及結(jié)論如下： 第一、GGA+U方法計(jì)算研究表明銳鈦礦型Ti02(001)表面位于脊處的氧空位VOA是最穩(wěn)定的空位缺陷,VOA缺陷可以產(chǎn)生1.63μB的磁矩,且主要是由VOA周圍Ti原子的3d軌道電子貢獻(xiàn)；同時(shí),VOA會(huì)在體系的帶隙中距離導(dǎo)帶低約0.94eV處產(chǎn)生一個(gè)自旋極化的缺陷態(tài)；雖然當(dāng)兩個(gè)VOA之間的距離為5.340A時(shí),由于Ti-Ti間距離的減小會(huì)導(dǎo)致體系出現(xiàn)自旋二聚物現(xiàn)象,使得體系處于低自旋態(tài),然而不同距離VOA磁性耦合研究發(fā)現(xiàn)鐵磁性依然是主要的。此外,對銳鈦礦型Ti02(001)表面另一種位于谷處的氧空位VOB的研究發(fā)現(xiàn)其性質(zhì)與氧空位VOA類似,VOB也可以在體系中產(chǎn)生局域磁矩(1.48μB),且不同距離的VOB之間的磁性耦合也是鐵磁性的。 第二、采用電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究銳鈦礦型TiO2(101)表面發(fā)現(xiàn)只有三配位的氧原子(O3c)產(chǎn)生的空位VO3c可以在體系中產(chǎn)生穩(wěn)定的局域磁性態(tài),產(chǎn)生的磁矩為1.05μB；且磁矩主要由VO3c周圍三個(gè)Ti原子的3d軌道電子貢獻(xiàn)；VO3c可以在費(fèi)米能以下約0.22eV處形成一個(gè)自旋極化的缺陷態(tài)。不同距離VO3c之間的磁性耦合也是鐵磁性的。 第三、界面體系TiO2/SrTiO3的第一性原理計(jì)算研究結(jié)果表明界面處TiO2層中的氧空位VO1是最穩(wěn)定的氧空位缺陷,可以產(chǎn)生0.36μB的磁矩,且主要由VOI周圍Ti原子的3d軌道電子貢獻(xiàn)；研究還發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)弛豫對TiO2/SrTiO3界面體系產(chǎn)生磁性有重要影響,弛豫會(huì)導(dǎo)致VOl空位周圍Ti-Ti鍵長的增加,不會(huì)引起自旋二聚物的產(chǎn)生,使得體系由弛豫前的低自旋態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌谠ズ蟮母咦孕龖B(tài)。此外,界面處VOl空位之間也是鐵磁性耦合的。 第四、單斜結(jié)構(gòu)Hf02(111)以及(111)表面的計(jì)算研究結(jié)果表明單個(gè)孤立的氧空位并不能在Hf02表面產(chǎn)生磁性,但是由兩個(gè)氧空位形成的復(fù)合缺陷(CDOV)卻可以在(111)以及(111)表面產(chǎn)生穩(wěn)定的局域磁矩。然而CDOV需要滿足兩個(gè)基本條件：首先,CDOV中有氧空位可以產(chǎn)生非基態(tài)的鐵磁性狀態(tài)；其次,CDOV中兩個(gè)氧空位之間的距離必須小于或等于臨界距離dCDOV,計(jì)算結(jié)果顯示HfO2(111)以及(111)表面的dCDOV分別為2.792A、2.957A。研究表明滿足這兩個(gè)基本條件的氧空位復(fù)合缺陷CDOV可以在HfO2(111)、(111)表面體系中產(chǎn)生穩(wěn)定的局域磁性態(tài),磁矩大小均為2.0μB,且均是由相應(yīng)CDOV周圍Hf原子的d軌道電子貢獻(xiàn)。 第五、第一性原理計(jì)算研究含氧缺陷的金紅石型Sn02(001)以及(110)表面的計(jì)算結(jié)果表明無論是單個(gè)氧空位缺陷還是由兩個(gè)最近鄰氧空位形成的復(fù)合缺陷均不能在體系中產(chǎn)生局域磁矩,體系是非磁性的。 第六、MgO(001)表面GGA方法研究表明氧空位缺陷以及兩個(gè)最近鄰的氧空位形成的復(fù)合缺陷均不會(huì)在體系中引入局域磁矩；而Mg空位可以在(001)表面產(chǎn)生磁性,研究發(fā)現(xiàn)單個(gè)Mg空位可以產(chǎn)生0.35μB的磁矩。此外,MgO(001)表面不同距離Mg空位之間的磁性耦合研究發(fā)現(xiàn)最近鄰的兩個(gè)Mg空位之間是反鐵磁性耦合的；而次近鄰的兩個(gè)Mg空位之間卻是鐵磁性耦合的,且可在體系中產(chǎn)生4.00μB的磁矩,計(jì)算表明磁矩均是由O原子的2p軌道電子貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM27

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 蔣然;張燕;;Observation of ferromagnetism in highly oxygen-deficient HfO_2 films[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2009年10期

2 馬新國;唐超群;黃金球;胡連峰;薛霞;周文斌;;銳鈦礦型TiO_2(101)面原子幾何及弛豫結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算[J];物理學(xué)報(bào);2006年08期

3 翁臻臻;張健敏;黃志高;林文雄;;Effect of oxygen vacancy defect on the magnetic properties of Co-doped ZnO[J];Chinese Physics B;2011年02期

4 李東翔;秦秀波;鄭黎榮;李玉曉;曹興忠;李卓昕;楊靜;王寶義;;Defect types and room-temperature ferromagnetism in undoped rutile TiO_2 single crystals[J];Chinese Physics B;2013年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳國紅;二氧化鉿體系電子結(jié)構(gòu)及硅納米線力學(xué)行為的第一性原理研究[D];復(fù)旦大學(xué);2010年

本文編號：1678188