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原子簇La_(8-x)Ba_xCuO_6的原子磁矩和自旋极化的电子结构研究

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物理学报 2004年第1期53卷 254-259页

作者：陈丽李华董建敏潘凤春梅良模山东大学物理与微电子学院

利用MS Xα方法研究了化合物La2 -yBayCuO4 的原子磁矩和自旋极化的电子结构 .理论计算得到母相氧化物La2 CuO4 的Cu原子磁矩为 0 37μB,与实验值 0 4 8± 0 15 μB 基本一致 .研究结果显示 ,由于Ba原子对部分La的替代 ,使构成化合... 详细信息

利用MS Xα方法研究了化合物La2 -yBayCuO4 的原子磁矩和自旋极化的电子结构 .理论计算得到母相氧化物La2 CuO4 的Cu原子磁矩为 0 37μB,与实验值 0 4 8± 0 15 μB 基本一致 .研究结果显示 ,由于Ba原子对部分La的替代 ,使构成化合物的基本原子簇La8-xBaxCuO6 的点群对称性降低 ,分子轨道简并度解除 ,轨道杂化效应增强 ,减弱了氧化物的 (准 )二维特性 ,导致Cu O层与其近邻原子层的耦合增强 ,因此影响了原子层间的电荷迁移方向 ,对Cu O层中载流子的性质有重要影响 .由于Ba掺杂在化合物中产生的空穴 ,不仅进入O格点 ,也同时进入Cu格点 ,对Cu O层上Cu和O原子价态、磁矩以及电子态密度分布有重要影响 .研究结果认为 ,由于掺杂产生的空穴对化合物超导电性的影响具有两面性 :初期掺杂有利于产生超导电性 ;当掺杂较多时抑制超导电性 .这是导致La2 14体系的超导转变温度Tc 随掺杂量y的变化 (即Tc y拱形曲线 )的一个重要原因 .

关键词：电子结构自旋极化原子磁矩态密度超导电性钡原子镧原子轨道杂化效应轨道简并度点群对称性

应变对(Ga,Mo)Sb磁学和光学性质影响的理论研究

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物理学报 2022年第9期71卷 245-256页

作者：潘凤春林雪玲王旭明宁夏大学物理与电子电气工程学院银川750021

近年来,作为一种自旋电子学领域的关键材料,具有高温本征铁磁性的稀磁半导体受到了广泛的关注.为探索能够提高本征铁磁性居里温度(C urie temperature,T;)的方法,本文运用第一性原理LDA+U方法研究了应变对Mo掺杂GaSb的电子结构、磁学及... 详细信息

近年来,作为一种自旋电子学领域的关键材料,具有高温本征铁磁性的稀磁半导体受到了广泛的关注.为探索能够提高本征铁磁性居里温度(C urie temperature,T;)的方法,本文运用第一性原理LDA+U方法研究了应变对Mo掺杂GaSb的电子结构、磁学及光学性质的影响.研究结果表明:-6%—2.5%应变范围下GaSb半导体材料具有稳定的力学性能,压应变下GaSb材料的可塑性、韧性增强,有利于GaSb半导体材料力学性能的提升;应变对Mo替代Ga缺陷(Mo;)的电子结构有重要的影响,-3%至-1.2%应变范围下Mo;处于低自旋态(low spin state,LSS),具有1;的局域磁矩,-1.1%—2%应变范围下Mo;处于高自旋态(high spin state,HSS),具有3;的磁矩;不管是LSS还是HSS,Mo;产生局域磁矩之间的耦合都是铁磁耦合,但铁磁耦合的强度和物理机制不同,适当的压应变可有效提高铁磁耦合强度,这有利于实现高T;的GaSb基磁性半导体;Mo可极大提高GaSb半导体材料的电极化能力,这有利于光生电子-空穴对的形成和分离,提高掺杂体系对长波光子的光电转化效率;Mo引入的杂质能级使电子的带间跃迁对所需要吸收光子的能量变小,掺杂体系光学吸收谱的吸收边发生了红移,拉应变可进一步提升(Ga,Mo)Sb体系在红外光区的光学性能.

关键词： GaSb 应变磁学性质光学性质第一性原理

C掺杂金红石相TiO_2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

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物理学报 2015年第22期64卷 255-262页

作者：潘凤春林雪玲陈焕铭宁夏大学物理电气信息学院银川750021

运用第一性原理的局域密度近似+U(0≤U≤9eV)方法研究了本征金红石相TiO2在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO2的电子结构和光学性质,研究表明,TiO2的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增... 详细信息

运用第一性原理的局域密度近似+U(0≤U≤9eV)方法研究了本征金红石相TiO2在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO2的电子结构和光学性质,研究表明,TiO2的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增大.综合考虑取U=3 eV并对其计算结果进行修正.对于掺杂体系,发现C元素的掺杂在金红石相TiO2中引入杂质能级,杂质能级主要由O-2p轨道和C-2p轨道耦合形成,杂质能级的引入可以增加TiO2对可见光的响应,从而使TiO2的吸收范围增大.C原子掺杂最佳比例为8.3%,此时光学吸收边的红移程度最明显,可增大光吸收效率,从而提高了TiO2光催化效率.

关键词：第一性原理 TiO2 C掺杂光学性质

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阳离子空位磁矩起因探讨

物理学报 2015年第17期64卷 259-264页

作者：潘凤春林雪玲陈焕铭宁夏大学物理电气信息学院银川750021

运用群论和分子轨道理论的方法,系统地研究了非掺杂磁性半导体中阳离子空位产生磁矩的原因,并用海森堡模型阐明了磁矩之间的交换耦合机理.研究发现:阳离子空位磁矩的大小与占据缺陷能级轨道的未配对电子数有关,而缺陷能级的分布与空位... 详细信息

运用群论和分子轨道理论的方法,系统地研究了非掺杂磁性半导体中阳离子空位产生磁矩的原因,并用海森堡模型阐明了磁矩之间的交换耦合机理.研究发现:阳离子空位磁矩的大小与占据缺陷能级轨道的未配对电子数有关,而缺陷能级的分布与空位的晶场对称性密切相关;通过体系的反铁磁状态和铁磁状态下的能量差估算交换耦合系数J_0,交换耦合系数J_0的正负可以用来预测磁矩之间的耦合是否为铁磁耦合:J_0>0,则表明磁矩之间的耦合为铁磁耦合,反之为反铁磁耦合.最后指出空位的几何构型发生畸变(John-Teller效应)的原因:缺陷能级轨道简并度的降低与占据缺陷能级轨道的电子的数目有直接的关系.

关键词：阳离子空位磁矩电子结构对称性

SiC中空位缺陷的自旋态与自旋调控的理论研究

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SiC中空位缺陷的自旋态与自旋调控的理论研究

作者：潘凤春山东大学

学位级别：硕士

以研究和控制电子的荷电特性及其输运特性为主要内容的微电子学,使人类进入了信息时代。在传统微电子学之中,电子只是被当作电荷的载体,它的自旋特性一直未被引起重视。二十世纪八十年代末,巨磁电阻效应（GMR, Giant magnetoresistance... 详细信息

以研究和控制电子的荷电特性及其输运特性为主要内容的微电子学,使人类进入了信息时代。在传统微电子学之中,电子只是被当作电荷的载体,它的自旋特性一直未被引起重视。二十世纪八十年代末,巨磁电阻效应（GMR, Giant magnetoresistance）的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命,其重要的应用前景极大地激发了人们对磁性材料输运的兴趣,并在此基础上逐渐形成了一门以研究、利用和控制自旋极化的电子输运过程为核心的新兴学科：自旋电子学（Spintronics）。铁磁性半导体是自旋电子学领域的关键材料,作为一种具有丰富物理内涵和重要应用前景的新型电子材料,磁性半导体已成为自旋电子学这个新领域的研究热点。磁性半导体通常是通过掺杂过渡族金属元素TM如V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni等进入III-V族、Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ族化合物或单质,如InAs,GaAs,ZnO,TiO2, ZnTe, Ge, Si等得到的。早期研究中铁磁性半导体材料的居里温度非常低,一般在10 K以下,这极大的限制了铁磁性半导体材料的实际应用。于是寻找具有高居里温度的磁性半导体材料成为自旋电子学的研究重点之一。上世纪90年代,首先在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料（如GaAs）的研究中取得了巨大的进展,但其居里温度仍低于室温。之后,对于以氧化物为代表的Ⅱ-Ⅵ族材料和以碳化硅（SiC）为代表的Ⅳ-Ⅳ族材料的研究也相继展开。碳化硅是一种Ⅳ-Ⅳ族的半导体材料,与当前主流的半导体材料硅材料具有相似的电子结构,在制作工艺也相互兼容。但是,碳化硅中过渡金属的掺杂浓度低,容易出现相分离。磁化强度和居里温度的提高受到了限制。本论文从量子力学第一性原理出发结合群论的分析方法,系统研究了碳化硅中空位缺陷的自旋极化、缺陷之间的磁耦合机制及缺陷的电荷态对自旋极化的调控作用。为揭示非掺杂（undoped）碳化硅的磁矩起源提供了理论依据,同时也为碳化硅铁磁半导体材料提供新的思路。本论文主要的研究结果如下：（1）.立方碳化硅（3C-SiC）中的阳离子空位(Vsi具有高,低自旋极化的电子态,不同价态具有不同的自旋极化和自旋耦合方式。-1价的硅空位（Vsi）-1具有S=3／2的自旋态,且空位之间倾向形成自旋反平行的排列（反铁磁）;而-2价的硅空位（VSi）-2则具有S=1的自旋态,倾向形成自旋平行的排列（铁磁）。可以通过控制碳化硅中n型掺杂的浓度来调控其中（VSi）的电荷态,进而调控其自旋极化和自旋耦合。以氮原子掺杂为例,当N:VSi= 1:1时,VSi处于-1价态,并具有S=3／2的自旋和反平行的自旋排列;当N:VSi=2:1时,VSi处于-2价态,并具有S=1的自旋和平行的自旋排列。这为在3C-SiC中实现铁磁性提供了新的思路。（2）理想的4H-SiC（不含空位缺陷）中Al原子替代Si原子的掺杂（p型掺杂）并不会引起缺陷态电子的自旋极化。但是,当其中存在Vsi缺陷时,Al原子掺杂改变了VSi电荷态,诱发了VSi自旋极化,VSi磁矩的大小与Vsi和掺杂Al原子的相对位置有关。这解释了实验上发现的Al掺杂4H-SiC的自旋玻璃铁磁态的起源。（3）首次研究了3C-SiC中氮原子和硅空位的组合（N-Vsi center）的电子结构和自旋极化和自旋耦合。从理论上预言：3C-SiC中的（N-Vsi）-1缺陷具有与金刚石中（N-V）-1缺陷相似的电子结构,因此,有希望利用（N-Vsi）-1在3C-SiC实现固体量子比特。

关键词：自旋电子学磁性半导体碳化硅阳离子空位第一性原理计算群论电子结构

Fe,Co,Ni掺杂GaSb的电子结构和光学性质

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物理学报 2019年第18期68卷 135-143页

作者：潘凤春林雪玲曹志杰李小伏宁夏大学物理与电子电气工程学院

运用第一性原理LDA+U方法(考虑了交换关联项的Hubbard U修正的局域密度近似方法)研究了过渡族金属X (X=Fe, Co, Ni)掺杂GaSb的电子结构和光学性质.研究结果表明:X掺杂均能提升GaSb半导体材料对红外光区光子的吸收幅度,并能有效提高GaSb... 详细信息

运用第一性原理LDA+U方法(考虑了交换关联项的Hubbard U修正的局域密度近似方法)研究了过渡族金属X (X=Fe, Co, Ni)掺杂GaSb的电子结构和光学性质.研究结果表明:X掺杂均能提升GaSb半导体材料对红外光区光子的吸收幅度,并能有效提高GaSb材料的光催化性能;过渡金属X在GaSb材料中主要以X替代Ga缺陷(X@Ga)的形式存在, X的电荷布居和键布居表明, X的掺入容易引起体系的晶格畸变,由此产生的电偶极矩有利于光生电子-空穴对的分离,从而提高材料的光催化性能;X掺杂引入的杂质能级位于0点费米能级附近,因而掺杂体系复介电函数虚部在光子能量为0时就会有响应,同时掺杂体系的静介电常数也得到了很大的提升;X的掺杂对GaSb体系的光学性能都有很大的改善,但Ni掺入对改善GaSb材料的光催化特性最有利;最佳Ni原子的掺杂摩尔浓度为10.94%,均匀掺杂可以避免光生电子-空穴复合中心的形成,此时光学吸收范围和吸收峰值都达到最大,对材料的光催化性能最有利.

关键词：第一性原理 GaSb 电子结构光学性质

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模拟计算压力对高岭石结构与力学性能的影响

硅酸盐学报 2018年第12期46卷 1788-1794页

作者：王鹏林雪玲潘凤春林龙王旭明宁夏大学物理与电子电气工程学院宁夏银川750021 河南理工大学材料科学与工程学院河南焦作454000

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了不同静水压力下高岭石的电子结构和力学性能。结果表明:高岭石的禁带宽度随着压力的增加逐步增大,其原因在于压力下体系的导带底向高能区移动;压力下高岭石片层之间的距离变小以及Si-O键和Al-O... 详细信息

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了不同静水压力下高岭石的电子结构和力学性能。结果表明:高岭石的禁带宽度随着压力的增加逐步增大,其原因在于压力下体系的导带底向高能区移动;压力下高岭石片层之间的距离变小以及Si-O键和Al-O键键长变短导致了高岭石超晶胞的体积减小,同时高岭石晶体由三斜晶系向单斜晶系转变,发生了塑性形变;高岭石晶体的刚性和抵御塑性变形的能力随着压力的增加而增大,在0.6 GPa时体系的Poisson比最小且Al-O键键长达到了最小,表明此压力下高岭石晶体的横向变形最小,结构最为稳定,0.6 GPa压力下高岭石独特的力学性能主要与Al-O键的键长有关。

关键词：第一性原理静水压力高岭石电子结构力学性能

用双稳态势场模型研究观点转变的驱动-响应关系

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物理学报 2020年第6期69卷 43-56页

作者：王鹏潘凤春郭晶晶李婷婷王旭明宁夏大学物理与电子电气工程学院银川750021 宁夏沙漠信息智能感知重点实验室银川750021

从物理学的视角看,群体观点演化实质可以看作是观点粒子状态变化的集体效应.本文考察在双稳态势中噪声诱导观点粒子的状态转变,利用加权拉盖尔完备正交函数法计算了时间关联函数和描述驱动-响应关系的弛豫时间.理论计算结果表明,噪声诱... 详细信息

从物理学的视角看,群体观点演化实质可以看作是观点粒子状态变化的集体效应.本文考察在双稳态势中噪声诱导观点粒子的状态转变,利用加权拉盖尔完备正交函数法计算了时间关联函数和描述驱动-响应关系的弛豫时间.理论计算结果表明,噪声诱导作用存在一个临界值Dc,若噪声强度高于临界值,时间关联函数随关联时间呈指数型增加.结果还显示,存在弛豫时间随势垒纵横比/噪声强度变化取值趋于无穷的双奇异点现象.奇异点处无法实现观点粒子状态的转变.弛豫时间与势垒纵横比之间存在线性关系,预示着在双稳态势场中观点粒子受噪声驱动呈现类似牛顿第二定律的驱动-响应关系,而弛豫时间在这个关系中充当表征惯性质量的角色.

关键词：观点空间拉盖尔函数弛豫时间驱动-响应关系

非掺杂锐钛矿相TiO_2铁磁性的第一性原理研究

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物理学报 2017年第5期66卷 235-241页

作者：潘凤春徐佳楠杨花林雪玲陈焕铭宁夏大学物理与电子电气工程学院银川750021

运用第一性原理的方法研究了锐钛矿相TiO_2中O空位(V_o)和Ti空位(V_(Ti))的电子结构和磁学性质.计算结果表明,单独的V_o并不会诱发局域磁矩,V_(Ti)可以产生大小为4μB(1μ=9.274×10^(-21)emu,CGS)的局域磁矩,主要分布在其周围的0原子上... 详细信息

运用第一性原理的方法研究了锐钛矿相TiO_2中O空位(V_o)和Ti空位(V_(Ti))的电子结构和磁学性质.计算结果表明,单独的V_o并不会诱发局域磁矩,V_(Ti)可以产生大小为4μB(1μ=9.274×10^(-21)emu,CGS)的局域磁矩,主要分布在其周围的0原子上.这两种缺陷产生局域磁矩的原因在文中做了详细的介绍.此外,由两个V_(Ti)诱发的局域磁矩之间的磁耦合相互作用为铁磁耦合,其交换耦合系数J_0为88.7 meV,意味着V_(Ti)间的铁磁耦合可以持续到室温.虽然V_o并不会产生局域磁矩,但是引入V_o可以进一步提升两个V_(Ti)之间的耦合强度,这可以对非掺杂锐钛矿结构的TiO_2体系中铁磁性的来源作出解释:V_(Ti)产生了局域磁矩,而V_o增强了V_(Ti)间长程的铁磁耦合相互作用.此外,还提出了局域磁矩之间耦合的第二类直接交换作用模型.

关键词：第一性原理 TiO2 非掺杂铁磁性