半导体表面非磁性原子修饰诱导磁性及其调控

The decoration of semiconductor surfaces in atomic scale is one of the fronts in the condensed matter physics. Using non-magnetic atoms to induce and adjust magnetic properties on semiconductors surfaces is not only intriguing and challenging from a fundamental scientific point of view but also very important for the potential applications in nanoelectronics, spinelectronics, as well as ultradense memory devices. Therefore, in this project, based on density functional theory, we will employ the first-principles methods to explore the physical mechanism of the magnetic properties induced and adjusted by the non-magnetic atoms. We will focus on the influences of the adsorbed and doped atomic types, coverage, configurations on magnetic properties. Through these investigations, we will make out the related microscopic mechanisms and find out the general rule to design the magnetic structures with various properties on semiconductor surfaces. We expect that this project will provide an effective theoretical guidance to the related physical experiments and device applications.

从原子分子层面上对半导体表面修饰改性是当今凝聚态物理研究的前沿领域之一。利用非磁性原子修饰诱导、调控半导体表面磁性有序结构不仅有着重要的科学研究意义，而且在电子学、自旋电子学、高密度存储等方面有着广泛的应用前景。本项目应用第一性原理计算方法系统地研究非磁性原子吸附、掺杂诱导及调控半导体表面磁性的机理。重点研究吸附和掺杂元素种类、浓度、构型等因素对诱导半导体表面磁性的影响, 探讨非磁性原子诱导及调控半导体表面磁性的一般规律，揭示其微观机理, 以便从原子层次设计性能稳定、性质丰富的半导体表面磁性结构，为相关的物理实验和实际应用器件提供理论指导。

半导体材料中引入自旋在电子学、自旋电子学、高密度存储等方面有着广泛的应用前景。 从原子分子层面上利用非磁性原子修饰诱导、调控半导体表面磁性有序结构当今凝聚态物理研究的前沿领域之一。项目针对申请书内容重点研究了：（1）非磁性H原子吸附诱导Si(111)-(7x7)表面的磁性结构机理及调控。发现非磁性原子H吸附可以诱导Si(111)-(7x7)表面产生磁性。随着H浓度及吸附构型的变化，我们可以调节悬挂键磁性的大小和结构，进而可以得到非常丰富的磁性结构。（2）接下来尝试利用非磁性金属原子Cu吸附Si(111)-(7x7)表面，发现金属原子Cu可以在硅表面快速扩散形成团簇，但是不能诱导表面磁性。我们提出了一种稳定的Cu7团簇很好的解释了实验现象（3）我们进一步把非磁性原子掺杂诱导磁性推广到了低维体系。发现了由于量子尺寸效应，非磁性金属原子C可以更容易的诱导黑磷纳米带结构的磁性，研究表明碳原子上的磁矩大小随着掺杂位置变化，并且可以通过边界原子很好的调控碳原子上的磁矩大小。（4）我们对比研究了3d过渡金属在二维黑磷及蓝磷纳米结构掺杂磁性及电子结构，发现体系可以呈现稀磁半导体、半金属等特性。进一步的研究发现应力不仅可以调控体系磁性的大小，还可以调控磁性耦合特性。（5）研究了非磁性金属原子Au32团簇包裹对Fe13及Co13团簇的磁性调控。发现Au团簇包裹可以增加Mn13团簇的磁矩而减小Co13团簇的磁矩，这种不同是由于Au对Mn和Fe团簇内部耦合特性影响不同造成的。（6）材料新型结构研究，发现VI族元素Te形成的三种单层材料，发现了新型的三维金属性H18碳结构、超硬的C20结构、二维纯5-7环的C57结构以及BN的H18和Rh6结构。