【摘要】：電荷和自旋是電子兩個重要的內(nèi)稟屬性。半導體自旋電子學正是利用半導體中的電子自旋和電荷兩個自由度,對信息進行加工處理。在半導體材料中引入各種缺陷,例如摻雜磁性原子或者產(chǎn)生空位復合體等,使得體系能夠產(chǎn)生電子自旋態(tài)。通過對電子自旋態(tài)的產(chǎn)生、注入以及輸運的控制,半導體將展示許多新穎的功能。在密度泛函理論的框架下,我們使用第一性原理計算來研究兩類不同的物理量：固態(tài)量子比特和磁性雜質(zhì)的擴散動力學。對于前者,我們致力于尋找能夠作為量子比特候選者且具有類似于金剛石NV-1色心的量子性質(zhì)的深能級缺陷中心。對于后者,我們運用動力學蒙特卡羅(KMC)模擬來研究替位式的Mn原子(MnGa)在稀磁半導體Ga1-xMnxAs中的擴散與聚集。本論文的主要研究成果可以總結如下。(1)發(fā)展了結合平均場理論和分子軌道理論的方法來研究半導體缺陷中心的電子自旋性質(zhì)�；诘谝恍栽碛嬎�,我們研究了金剛石OV色心的自旋極化缺陷能級,形成能,位形坐標圖和電子自旋相干時間。根據(jù)分子軌道理論,利用投影算符技巧構建了具有C3v,對稱性的金剛石OV色心的分子軌道。利用這些分子軌道,分析了OV0色心的缺陷能級特征,并且發(fā)現(xiàn)它具有一個S=1的三重基態(tài)和四個自旋保留的激發(fā)態(tài)。通過計算OV色心在不同價態(tài)下的形成能,可以得出OV0色心在p型的金剛石中是穩(wěn)定的。根據(jù)位形坐標圖,得到OV0色心在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的光吸收,光發(fā)射和零聲子線的能量。此外,我們估計了OV0色心在T=0K下的電子自旋相干時間。這些結果證明了OV0色心類似于金剛石NV-1色心,是另一個潛在的量子比特候選者,同樣可以運用于自旋相干操作和量子比特運算。(2)類似地,我們研究了單層h-BN中CBVN和NBVn色心在不同價態(tài)下的能量穩(wěn)定性和電子結構。根據(jù)分子軌道理論,利用投影算符技巧構建了具有C2v對稱性的CBVN和NBVN色心的分子軌道。利用這些分子軌道,分析了CBVN和NBVN色心在不同價態(tài)下的缺陷能級特征,并且發(fā)現(xiàn)CBVN0和NBVN+1色心各自具有一個S=1的三重基態(tài)和一個自旋保留的激發(fā)態(tài)。通過計算CBVN和NBVN色心在不同價態(tài)下的形成能,可以得出CBVN0和NBVN+1色心分別在n型和p型的單層h-BN中是穩(wěn)定的,并且都是順磁缺陷中心。此外,我們也估計了CBVN0和NBVN+1色心在T=0K下的電子自旋相干時間。這些結果同樣證明了CBVN0和NBVN+1色心也都非常合適于實現(xiàn)自旋量子比特操作。(3)運用KMC模擬來研究稀磁半導體Ga1-xMnxAs在生長后的熱處理過程中的微觀結構演化。通過第一性原理計算,我們得到了最近鄰和次近鄰的MnGa-MnGa和MnGa-VGa的結合能。另外,運用爬坡彈性帶方法(CI-NEB)計算了Ga和Mn原子在GaAs中的躍遷勢壘。將計算得到的結合能和躍遷勢壘作為KMC模擬的輸入?yún)?shù),研究了微觀結構的演化。我們發(fā)現(xiàn)長時間的微觀結構演化的背后機制是Ga空位調(diào)節(jié)MnGa原子在Ga子晶格上進行擴散,這種擴散會導致MnGa原子的聚集。而且,退火溫度越高,越容易形成MnGa團簇。在較高溫度下,長時間的退火熱處理會導致MnGa團簇尺寸的增大和濃度的下降。大團簇的產(chǎn)生進一步地暗示著第二相MnAs的形成。高溫退火還會使得MnGa團簇之間的平均距離變大,進而削弱了MnGa團簇之間的鐵磁相互作用。因此,MnGa原子的聚集會導致居里溫度的降低。
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O471
【圖文】：

逡逑理實體邋屬性邐丨０〉邐丨１〉逡逑光子邋光的偏振邐水平偏振邐垂直偏學相干態(tài)壓縮光場的光學分量幅度壓縮態(tài)相位壓縮電子邐電子自旋邐自旋朝上邐自旋朝原子核邐核自旋邐自旋朝上—朝瑟夫森結超導相位量子比特邐基態(tài)邐第一激發(fā)量子點邋量子點白旋邐白旋朝上邐白旋朝表１．１量子比特的物理實現(xiàn)逡逑剛石ＮＶ色心筒介逡逑

逑在金剛石晶格中，一個碳空位和近鄰的碳原子被氮原子替代所形成的復合逡逑體稱為ＮＶ色心（ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｖａｃａｎｃｙ邋ｃｅｎｔｅｒ），如圖１．１所示。該色心屬于金剛石中逡逑一種特殊點缺陷，可以在大塊或者納米金剛石樣品中找到。這些金剛石樣品可逡逑以是通過化學氣相沉積法合成的［１１］，也可以是經(jīng)過轄照損傷并且熱處理過后逡逑的［１２］，還可以是通過離子注入的［１３］。人們在實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了金剛石ＮＶ色心逡逑存在兩種狀態(tài)，即中性價態(tài)的ＮＶＧ和帶負電的ＮＶ－ｉ。ＮＶＧ和ＮＶ＿ｉ色心的零逡逑聲子線（ｚｅｒｏ邋ｐｈｏｎｏｎ邋ｌｉｎｅ，ＺＰＬ）分別為邋５７５邋ｎｍ邋和邋６３７邋ｎｍ，如圖邋１．２邋所示。圖邋１．２逡逑展示了在１０邋Ｋ下５３２邋ｎｍ激光激發(fā)ＮＶ＾和ＮＶ－ｉ色心的熒光光譜＿。通常情況逡逑下，ＮＶＧ和ＮＶ－１色心是共存的，但是只有ＮＶ－１色心具有獨特的量子特性。由逡逑于主要研究的是ＮＶ－ｉ色心，因此通常所說的ＮＶ色心指的是ＮＶ－１色心。目前逡逑普遍認為ＮＶ－ｉ色心有６個未匹配的電子

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本文編號：2741425