MedeA案例四十:MedeA在稀磁半导体材料中的应用

2020-07-06 16:17:45 来源:源资信息科技(上海)有限公司

新闻摘要:本案例中,作者通过实验制备In2O3中共掺杂Cu, N元素,随后用第一性原理研究(Cu, N)共掺杂In2O3结构电子及磁性性质。

1. 研究背景

稀磁氧化物(DMOs)由于其具有可操纵电荷及自旋电子等性质,及自旋新型设备中潜在应用,吸引了大量的科学研究。尽管一些基于巨磁电阻效应的磁性设备已经被成功应用,但DMS材料的发展对自旋电子学十分重要。纳米尺寸掺杂过渡金属(TM)的In2O3,可能诱发铁磁性,在实际应用中不可取。为了避免外在铁磁性,掺杂非磁性Cu是个很好选择,能够避免形成磁性二次相。本案例中,作者通过实验制备In2O3中共掺杂Cu, N元素,随后用第一性原理研究(Cu, N)共掺杂In2O3结构电子及磁性性质。


2. 建模与计算方法

作者为天津理工大学材料学院的安玉凯老师课题组,其通过Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索了In2O3的立方型铁锰矿结构,随后采用Supercell Builder创建了In2O3超晶胞。接着,采用Substitutional Search创建了两种不同N掺杂In2O3结构:(1)2个Cu原子取代In2O3晶胞中2个O,并被一个O原子分离,形成Cu-O-Cu构型;(2)Cu-O-Cu构型中,O原子被N原子取代,形成Cu-N-Cu构型。

作者采用MedeA-VASP模块中对不同体系进行结构优化;随后计算了Cu-O-Cu、Cu-N-Cu构型In2O3不同结构的电子、磁学等性质。


3. 结果与讨论

3.1 不同掺杂In2O3结构能量及磁矩

作者通过实验制备了(Cu、N)共掺杂In2O3结构,随后采用MedeA-VASP模块对掺杂In2O3的Cu-O-Cu、Cu-N-Cu结构优化,计算不同结构的能量及磁矩,见表1。Cu-O-Cu构型为反铁磁,△E=81.9 meV,反铁磁基态在Cu-N-Cu构型中转变为铁磁,△E=-131.3 meV。△E=131.3 meV比较大,表明铁磁基态非常稳定,也足以导致高温下对于(Cu、N)共掺杂In2O3体系呈现特磁性。N共掺杂后造成的铁磁耦合强度较大,与In2O3结构电子结构相关。

能量差值公式:


表1  (Cu,N)共掺杂In2O3不同结构能量及磁矩



3.2 (Cu、N)共掺杂In2O3结构态密度、光谱分析

接着作者采用MedeA-VASP模块对(Cu、N)共掺杂In2O3的结构进行自旋密度及态密度分析,见图1。图1(a)中, Cu-O-Cu-In2O3掺杂结构呈现反铁磁性,其磁矩主要来自于两个Cu离子(3.912及-3.909μβ),而In和O原子自旋几乎为零。图1(b)中,Cu-N-Cu-In2O3掺杂结构总磁矩为2.1μβ,主要来源于两个Cu原子(0.967及0.982μβ)及N原子(0.147μβ)。


图1  自旋密度图分别(a)Cu掺杂In2O3结构(b)(Cu、N)共掺杂In2O3结构,(c)、(d)对应的DOS图。

图1(c)是Cu-O-Cu-In2O3掺杂结构DOS图,从图中可看出,Cu 3d 和O 2p自旋向上及向下峰几乎退化,没有交换分裂;从图1(d)中可看出,Cu、N掺杂后In2O3结构,会出现一些价带边缘上的能级,同时,在Cu 3d和N 2p轨道间晶体场及较强的杂化,从而造成能量分裂(自旋分裂)。Cu 3d-N 2p 相互作用(p-d杂化)空穴介导耦合(N共掺杂)使Cn-N-Cu-In2O3掺杂结构呈现铁磁性。


4. 总结与展望

本案例中,作者通过实验结合第一性原理的方法,研究了(Cu, N)共掺杂In2O3的结构、形态、磁性等性质,发现In2O3中共掺杂N后,可引起明显自旋分裂,能改变磁场相互作用,从反铁磁到铁磁性,(Cu, N)共掺杂在In2O3中,有利于提高磁化强度。本案例的研究具有非常重要的科学意义,为日后进一步研究In2O3材料打下了坚实的基础。

参考文献:

Xiaocan Liu Cuiying Feng, Yukai An. Activation and Enhancement of Room-Tempertature Ferromagnetic Exchange in (Cu, N)-codoped In2O3 Dilute Magnetic Nanowires. J.Phys.Chem.C. 2019, 123, 18079-18086.


使用MedeA模块:  

◆ Welcome to MedeA Bundle

◆ MedeA-VASP


【责任编辑:(Top) 返回页面顶端
Copyright © 2008 - 2020 Tri-ibiotech.com All Right Reserved. | 备案许可证: 沪ICP备11020704.