非金属元素掺杂的半导体材料磁性及其机制的研究

随着具有室温铁磁性的碳掺杂氧化锌的发现，非金属元素掺杂稀磁半导体材料的研究成为一个新热点。相对于过渡族金属元素掺杂，非金属元素掺杂可避免磁性杂质相的形成；而且非金属原子p电子的轨道没有过渡族金属原子的d和f电子轨道那么局域，有利于铁磁相互作用的长程传递和高温铁磁性的形成。但掺入的非金属原子与其周围原子间的成键规律、磁相互作用机制以及影响材料磁性的因素尚存争议。本项目拟采用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法，针对现有第一性原理计算中LDA(GGA)对电子关联效应低估的不足，采用LDA（GGA）+Ud+Us交换关联势，研究非金属元素掺杂的稀磁半导体材料中非金属杂质原子与其周围原子间的成键规律及其与晶体结构的关系、材料中本征缺陷以及表面/界面效应对材料性质的影响，揭示非金属原子中p电子间的磁相互作用物理机制，建立解释磁相互作用的微观模型，为非金属元素掺杂的稀磁半导体材料的制备提供理论依据。

利用广义梯度近似和局域密度近似研究半导体体、绝缘体材料的性质主要面临带隙严重低估问题，低估带隙对理论研究杂质对半导体体、绝缘体材料的性质会带来一定偏差，寻求不依赖经验参数且高效解决带隙低估的方案一直是凝聚态物理研究的重要的课题。在本项目资助下，我们开展了相关研究工作，同时研究了非金属元素掺杂半导体材料的磁性及其机制。取得主要成果如下：1）发现修正的Becke and Johnson（mBJ）交换关联势，能有效解决半导体材料、绝缘体和金属氧化物带隙低估问题，而且该方法不依赖于经验参数，相对于GW计算速度和效率有较大提高，是理论研究杂质原子对半导体、绝缘体和金属氧化物性质的影响的优先考虑的方法；2）利用该方法研究系列两元合金的电子结构，发现相对于传统广义梯度近似和局域密度近似mBJ计算方法能有效提高材料带隙；3）对硼、碳和氮掺杂半导体材料电子结构和性质的研究发现，当硼、碳和氮取代阴离子位时，杂质原子的电负性小于被替代原子电负性时，易于形成位于带隙中的杂质带，自旋极化导致杂质带形成自旋劈裂，致使杂质原子成为磁性中心，从而使掺杂半导体成为铁磁体和半金属铁磁体（如碳掺杂三氧化二铟、硼掺杂硒化镉和硒化锌、硼掺杂III-V族氮化物等）。当杂质原子的电负性等于或者大于被替代原子电负性时，易于形成位于价带顶的杂质带，自旋极化导致杂质带形成自旋劈裂，而使掺杂半导体成为磁性半导体（如碳掺杂硒化镉）、金属铁磁体（如氮掺杂硫化锌等）或者非磁性体系.