Li（Mg/Cd）P基新型稀磁半导体的磁电性质调控

作     者：陈婷 

作者单位：重庆师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毋志民

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：稀磁半导体 LiMgP LiCdP 第一性原理 磁电性质 

摘      要：稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor,DMS)是把电子的电荷自由度和自旋自由度集于同一基体,使其同时具备半导体材料和磁性材料的优点,而被认为是新一代自旋电子器件的关键材料。利用它的各种特性能够设计出具有体积小、能耗低、超高速、热量少的新型自旋电子器件和各种新型功能器件,能为未来的信息技术和材料领域带来革命性进展。因而,在近年来DMS成为了人们研究的热点。最近的研究发现,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族LiMgP基和LiCdP基新型稀磁半导体不仅具有自旋和电荷的双重特性,还克服了传统稀磁半导体磁性离子固溶度受限制的问题,这为探索制备出居里温度高于室温的新型稀磁半导体材料提供了方向。本论文先采用第一性原理计算方法对Ni、Fe掺杂LiMgP,Fe掺杂LiCdP进行了理论计算,研究各体系的磁电性质;然后,通过固相反应法制备了Fe掺杂LiCdP的多晶材料,并对其结构和磁电性质进行测量分析,主要研究结果如下:(1)首先,利用第一性原理对不同离子浓度配比的Fe掺杂LiMgP新型稀磁半导体的磁电性质进行研究。发现Fe掺杂LiMgP能够得到性能优良的半金属铁磁体,并且具有大的半金属能隙及可控的电磁性质。纯LiMgP体系中化学键为极化的共价键,Fe的掺入形成了比Mg-P更强的Fe-P共价键,表现出优异的半金属铁磁性且具有大的半金属能隙。Li过量时,形成能最低,结构最稳定,带隙值较单掺Fe时明显减小,而体系的半金属性明显减弱,Fe-P键的重叠电荷布局和体系净磁矩的值最小。Li不足时体系变为金属铁磁性,Fe-P键重叠电荷布局达到最大值0.78,键长达到最小值,体系净磁矩最大。(2)其次,利用第一性原理对Li(Mg,Ni)P新型稀磁半导体的磁电性质进行研究。结果表明,Ni掺入LiMgP形成的体系具有半金属性,轨道发生了sp-d轨道杂化,掺杂体系中Fe、Li含量可实现磁电性质的分离调控。Li空位时半金属能隙最大,为0.32eV,净磁矩为2.78μ,Li填隙时体系表现出金属性。在光学性质上,Ni掺杂后介电函数虚部、复折射率函数和吸收谱的低能区都出现了一个新峰,表明Ni的掺入扩大了体系对低频率电磁波的吸收范围和低能区光电导率的响应范围,并且Ni元素的掺杂使体系的光吸收谱呈现出明显的蓝移特征。(3)最后,对于Fe掺杂LiCdP体系磁电性质进行了研究。第一性原理计算结果表明,Fe掺入LiCdP体系具有明显的自旋极化现象,各种浓度的掺杂体系皆具有净磁矩,Li过量体系呈现出半金属性。此外,通过固相反应法去制备了Fe掺杂LiCdP块材,性质表征发现其确有磁性,且掺杂并未改变样品的晶体结构和空间群,其晶格常数和理论计算的结果相吻合,晶格常数随掺杂浓度的增大而减小。Li(CdFe)P的电阻率随温度的增加而减少,材料表现出半导体行为,实验和计算结果共同表明在LiCdP体系中引入Fe原子可以改善体系的导电性。Li(CdFe)P的磁相转变温度可达260K,矫顽力可达538Oe,样品的最大饱和磁矩随样品浓度的增大而增大。