氧化锌基自旋极化异质结构的第一性原理和蒙特卡罗研究

目前，利用能带工程与波函数工程，在半导体微结构中设计人们所期待的物性已成为可能。自旋极化异质结构是在传统的半导体异质结构中引进了自旋这一可调自由度。本课题拟研究基于氧化锌形成的自旋极化异质结构的电子结构和自旋相关的性质。在磁性离子δ掺杂氧化锌基异质结构中，将形成类似于二维电子气系统，而二维电子气与磁性离子的相互作用，并伴随着内建电场的影响，将导致丰富的物理现象。研究这类自旋极化异质结构的物理性质无疑是新颖的，有趣的。同时我们还拟研究基于氧化锌基铁磁半导体形成的磁隧道结，出发点是考虑隧穿势垒的特性如何影响隧穿磁电阻，为实现全半导体自旋电子器件提供理论依据。最后，我们研究铁磁金属/氧化锌基铁磁半导体混合结构，探索利用磁邻近效应来调控磁性半导体中自旋行为的可行性。

对于稀磁半导体中自旋相互作用的调控一直是半导体自旋电子学研究的核心内容。维度与外场被认为是调制氧化锌基稀磁半导体中的铁磁相互作用的有效手段。维度的调控包括将三维的体材料转变为二维薄膜、一维的纳米线，甚至是零维的纳米颗粒；而外场的施加通常包括外加应力应变和电场。我们首先研究了轴向应变对Co掺杂ZnO纳米线自旋相互作用的影响。结果显示外加应变可以导致磁相互作用显著变化，且对于磁性离子的空间构性型具有依赖性。对于基态为铁磁状态的结构，轴向应变可以增强其铁磁相互作用，并符合双交换模型的理论解释。为寻找有效的自旋住入源，我们利用GGA+U的方法理论上预言了具有纤锌矿结构的NiO(w-NiO)具有半金属性质，并且它的晶格常数与ZnO比较匹配。基于w-NiO/ZnO形成的一维超晶格结构的自旋特性，可以为实现ZnO基全氧化物自旋电子学器件的提供参考。另外，有研究表明利用表面钝化技术可以使得类石墨烯结构的单层ZnO具有磁性。我们探索了外加电场对氟化ZnO单层-这一新型自旋体系中磁性的影响。结果显示外加电场可以显著地调控氟化ZnO单层中磁距的大小以及空间分布。最后，我们利用共掺杂的方法来研究ZnO单层中的磁性机理，以验证描述体材料中铁磁相互作用的Zener理论模型在该特殊体系是否依然适用，结果显示是肯定的。