Cr掺杂SnO2的第一性原理计算研究

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摘要：基于半导体氧化锡（SnO2）含有优良的光电性能，在新材料方面有广泛应用。但其在制作电子器件方面仍有一些缺陷，需要通过掺杂过渡元素获得稀磁半导体来改善。因此，对于新材料Cr掺杂SnO2的稀磁半导体的研究有重要意义。本文首先调研SnO2半导体晶体结构和研究现状，然后采用第一性原理研究分析了Cr掺杂SnO2 之后的稳定结构及磁性来源；最后通过对Cr掺杂SnO2体系态密度研究发现其稀磁半导体特性，并基此展望Cr掺杂SnO2形成稀磁半导体的应用前景。48561

毕业论文关键词：Cr掺杂SnO2稀磁半导体；第一性原理；稳定构型；电子结构

The primary principle of Cr doped SnO2 computing research

Abstract：Based on semiconductor tin oxide (SnO2) contains excellent photoelectric properties, are widely used in new materials. But it still has some defects in making electronic devices, get diluted magnetic semiconductors by doping transition element -s are needed to improve. Therefore, for the new material research of Cr doped SnO2 diluted magnetic semiconductors have great significance. This paper first rese arch SnO2 semiconductor and configurational energy after doping, magnetic and densi-ty of states of the similarities and differences, and then using first principles calculation after the study of Cr doped SnO2 from the stability of the structure and the analysi -s of the magnetic source; After the last research of Cr doped SnO2 system with dilut -e magnetic semiconductor properties, formed the prospect of Cr doped SnO2using pr-ospect of diluted magnetic semiconductors.

Key Words: The dilute magnetic semiconductor of Cr doped SnO2 system;

First principles; Stable structure; Electronic structure

摘要 4

引言 4

1. 晶体模型和掺杂研究现状 5

1.1 晶体模型 5

1.2 SnO2掺杂研究现状 7

2. 计算方法 9

3. 计算结果与分析 9

3.1 Sn1-xCrxO2的稳定构型与磁矩 9

3.2 Sn1-xCrxO2体系中Cr的形成能与磁性来源 9

3.3 电子结构分析 11

4. 结束语 13

致谢 15

Cr掺杂SnO2的第一性原理计算研究引言

为了让传统半导体具有优异的光、磁等物理特性，人们开始试着往纯半导体中掺杂物质制成掺杂半导体，慢慢优化得到了稀磁半导体。稀磁半导体是Ⅱ-Ⅳ族、Ⅳ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族等半导体中正离子被过渡金属或稀土金属磁性离子替代而构成了独特的新型材料[1]。随着人们的研究深入，惊喜的发现稀磁半导体可同时具有金属性能和磁学性能，虽然制作简单，但却使其比普通半导体有了很多不同宝贵的性质，如磁运输性质、磁存储性质及显著的磁光效应等^源^自#751:文,论:文;网[www.751com.cn。通过掺杂还可使其具备社会迫切希望的导体信息处理功能，以及磁性材料信息的储存功能。光隔离器件、磁感应器、半导体激光集成电路等范畴都因它的发展而带来了历史性的进展[2]。

作为一种独特宽禁带的SnO2半导体，它是第一个被投入商用的透明导电材料。早已证实，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，在众多半导体中因其突出的光学透明度和高化学稳定性广泛受科研人员的喜爱[2]。实验上，早在2003 年Ogale 等就成功把Co掺杂到SnO2薄膜里[3]，研究掺杂后的形成物，发现其存在巨磁矩现象，而且其铁磁性能保持到650 K的高温。因此，SnO2 稀磁半导体更加成为重点研究对象。理论上，刘志勇等也在2007年研究了纳米掺杂SnO2的研究及其第一性原理的计算[3]，而于峰等在2009年利用第一性原理计算分析了SnO2的电子结构和光学性质[4]，为我们揭开SnO2具体结构及其性质的神秘面纱。在前人研究基础上殷圆淋在2009年研究了掺杂SnO2的电子结构、光学与磁学性质的第一性原理计算[5]；喻力等在2010年研究了过渡金属元素掺杂SnO2的电子结构与磁性都为SnO2稀磁半导体的研究埋下了伏笔[6]；而后在2014年张乔丽等研究了Fe 掺杂SnO2稀磁半导体超精细场的第一性原理计算[2]，发现其大磁矩的产生是因为高自旋态的Fe原子。然而其它的元素掺杂SnO2会出现什么情况呢？带着对未知的好奇，开始本文的研究即Cr掺杂SnO2的第一性原理计算研究。本文主要研究了掺杂前后体系的磁矩和电子结构的异同，通过掺杂Cr原子改变了哪些性能，造成性能改变的原因是什么？最后，并基于此展望Cr掺杂SnO2稀磁半导体的应用前景。