通过LDA+U方法研究Co/Mn共掺杂ZnO纳米线的电子结构与磁性质

0 1 引言  

目前，开发具有良好磁性能的DMS是一个有争议的问题，鉴于费米能级的调制位置和占据情况，ZnO的TM共掺杂被证明是实现稳定光学和磁性特性的一种有希望的替代技术。通过研究在ZnO中同时嵌入两种TM离子，以建立它们的适当组合，实现室温铁磁性[J. Alloys Compd. 2017, 698, 532-538，Superlattice. Microst. 2015, 83, 342-352.]。虽然TM离子的半径接近Zn离子，但由于非磁性主离子难以被磁性离子部分替代，Mn和Co离子不易占据ZnO晶格中的四面体位置，因此不会对共掺ZnO材料的磁性能产生显著影响。因此，本研究系统的研究了Mn/Co共掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性质，并使用密度泛函理论框架结合LDA + U算法分析了磁源的磁耦合机制。讨论了掺杂对磁性和电性能的影响，并揭示了自旋载流子注入机制，以有效地控制电荷载流子的自旋状态。

0 2 成果简介  

该研究基于PBE交换关联泛函，采用密度泛函理论（DFT）与LDA+U算法相结合的第一性原理计算方法研究Co/Mn共掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性质。重点关注Co/Mn原子的最佳几何替换位置、耦合机制和磁性起源。根据模拟数据，所有配置的Co/Mn共掺杂ZnO纳米线均表现出铁磁性，在（0001）内层中用Co/Mn原子取代Zn可以使纳米线达到基态。在磁耦合状态下，费米面附近探测到明显的自旋分裂，Co/Mn 3d和O 2p态之间的强杂化效应也得到观察。此外，建立了Co2+-O2-Mn2+磁路径形成的铁磁有序。此外，计算结果表明，磁矩主要起源于Co/Mn 3d轨道电子，磁矩的大小与Co/Mn原子电子构型有关。因此，通过LDA+U方法获得Co/Mn共掺杂ZnO纳米线的电子结构的真实描述，表明它们具有作为稀磁半导体材料的潜力。

0 3 图文导读  

图1 (a) 7×7×2 ZnO纳米线超胞俯视图，(b) Zn48O48纳米线超胞沿[0001]方向的周期结构(白色和黑色圆圈分别代表氧原子和锌原子).

图2 ZnO纳米线耦合模型(白色和浅黑色代表O和Zn原子，蓝色和红色代表Co和Mn原子)：(a)构型I; (b)构型II; (c)构型III; (d)构型IV; (e)构型V; (f)构型VI.

图3 ZnO纳米线的DOS和PDOS图: (a)纯ZnO TDOS图, (b) Mn/Co共掺杂ZnO TDOS图, (c)纯ZnO Zn原子PDOS图, (d) 纯ZnO O原子PDOS.

图4 Co/Mn共掺杂ZnO纳米线的PDOS图: (a) Zn原子PDOS图, (b)O原子PDOS图, (c) Co原子PDOS图, (d) Mn原子PDOS图.

图5 四面体晶场中三维TM原子的能量图(Td)

0 4 小结  

本文使用密度泛函理论（鸿之微DS-PAW软件）结合LDA+U算法，系统研究了Co/Mn共掺杂ZnO纳米线的几何结构、电子结构和磁性质。

当Co/Mn共掺杂取代不同位置的Zn原子时，观察到铁磁耦合特性。计算得到的形成能表明构型I是基态，容易形成稳定的铁磁耦合序。Co/Mn 3d轨道未成对电子与EF附近的O 2p轨道电子的强p-d杂化效应，在上部价带中出现扩散的键合态，在费米能级附近出现局限非键合态。在导带中形成一个相对局限的反键合态。

结果表明，铁磁耦合是由O 2p轨道介导的，并且理论计算进一步揭示了铁磁双交换相互作用的支配地位。磁矩主要受Co/Mn 3d轨道电子的影响，最近的Co-Mn电子对有助于铁磁相互作用的产生。因此，通过选择合适的共掺纳米线尺寸和维度来控制铁磁耦合和磁矩的灵活性，在应用中具有非常大的前景。本文的结果有助于设计基于ZnO的室温稀磁半导体。       




审核编辑：刘清