3d过渡金属原子掺杂单层氮化硼、氮化铝的^性原理计算研究

3d过渡金属原子掺杂单层氮化硼、氮化铝的^性原理计算研究

自旋电子学是一门新兴的学科和技术,在固体器件中加入电子的磁矩,用电子的自旋来携带信息,从而减少电能消耗。自旋电子器件有望解决现代电子计算机的主要问题:电力耗费巨大；计算机耗费能量产生的热量又需要更多的能量来冷却。作为对比,自旋电子器件产生很少的热量,使用相对来说非常少的电量。因此,自旋电子学受到了广大研究人员的关注。在自旋电子器件的相关研究中,二维材料因其独特的电子特性,被认为是将其应用于自旋电子器件的关键。典型的二维结构包括六方氮化硼(h-BN)单层、六方氮化铝(h-AlN)单层等。本论文采用基于密度泛函理论(DFT)和投影缀加平面波(PAW)的^性原理计算方法,对Co、Ni原子掺杂h-BN单层、以及Cr、Mn原子掺杂h-AlN单层的几何结构、电子性质以及磁性性质进行了系统的研究。在此基础上,研究相应的自旋输运的特性,进而为设计新型自旋电子器件,提供坚实的理论依据。本论文主要研究内容以及结论如下:本论文首先介绍了研究背景、基本理论基础以及研究的主要内容。其次介绍研究本课题所要用到的软件及计算理论基础。最后,分别对Co、Ni原子掺杂h-BN单层、以及Cr、Mn原子掺杂h-AlN单层的几何结构、电子性质以及磁性性质进行系统的研究,计算所有研究体系的电荷密度、自旋密度及态密度,最后通过对比分析得出结论。研究发现:未掺杂的h-BN单层以及h-AlN单层都是非磁的。但是单个的Co原子、Ni原子、Cr原子以及Mn原子都能在体系引入磁矩,并且磁矩主要由掺杂原子的d轨道贡献。进一步研究了掺杂原子之间的磁性耦合情况,发现,Co原子和Cr原子耦合掺杂体系均是铁磁态与反铁磁态并存,Ni原子和Mn原子耦合掺杂都能在体系中引入磁基态,从而产生集体性宏观磁性。