0 1引言

目前，開發具有良好磁性能的DMS是一個有爭議的問題，鑒于費米能級的調制位置和占據情況，ZnO的TM共摻雜被證明是實現穩定光學和磁性特性的一種有希望的替代技術。通過研究在ZnO中同時嵌入兩種TM離子，以建立它們的適當組合，實現室溫鐵磁性[J. Alloys Compd. 2017, 698, 532-538，Superlattice. Microst. 2015, 83, 342-352.]。雖然TM離子的半徑接近Zn離子，但由于非磁性主離子難以被磁性離子部分替代，Mn和Co離子不易占據ZnO晶格中的四面體位置，因此不會對共摻ZnO材料的磁性能產生顯著影響。因此，本研究系統的研究了Mn/Co共摻雜ZnO納米線的電子結構和磁性質，并使用密度泛函理論框架結合LDA + U算法分析了磁源的磁耦合機制。討論了摻雜對磁性和電性能的影響，并揭示了自旋載流子注入機制，以有效地控制電荷載流子的自旋狀態。

0 2成果簡介

該研究基于PBE交換關聯泛函，采用密度泛函理論（DFT）與LDA+U算法相結合的第一性原理計算方法研究Co/Mn共摻雜ZnO納米線的電子結構和磁性質。重點關注Co/Mn原子的最佳幾何替換位置、耦合機制和磁性起源。根據模擬數據，所有配置的Co/Mn共摻雜ZnO納米線均表現出鐵磁性，在（0001）內層中用Co/Mn原子取代Zn可以使納米線達到基態。在磁耦合狀態下，費米面附近探測到明顯的自旋分裂，Co/Mn 3d和O 2p態之間的強雜化效應也得到觀察。此外，建立了Co2+-O2-Mn2+磁路徑形成的鐵磁有序。此外，計算結果表明，磁矩主要起源于Co/Mn 3d軌道電子，磁矩的大小與Co/Mn原子電子構型有關。因此，通過LDA+U方法獲得Co/Mn共摻雜ZnO納米線的電子結構的真實描述，表明它們具有作為稀磁半導體材料的潛力。

0 3圖文導讀

圖1 (a) 7×7×2 ZnO納米線超胞俯視圖，(b) Zn48O48納米線超胞沿[0001]方向的周期結構(白色和黑色圓圈分別代表氧原子和鋅原子).

圖2 ZnO納米線耦合模型(白色和淺黑色代表O和Zn原子，藍色和紅色代表Co和Mn原子)：(a)構型I; (b)構型II; (c)構型III; (d)構型IV; (e)構型V; (f)構型VI.

圖3 ZnO納米線的DOS和PDOS圖: (a)純ZnO TDOS圖, (b) Mn/Co共摻雜ZnO TDOS圖, (c)純ZnO Zn原子PDOS圖, (d) 純ZnO O原子PDOS.

圖4 Co/Mn共摻雜ZnO納米線的PDOS圖: (a) Zn原子PDOS圖, (b)O原子PDOS圖, (c) Co原子PDOS圖, (d) Mn原子PDOS圖.

圖5 四面體晶場中三維TM原子的能量圖(Td)

0 4小結

本文使用密度泛函理論（鴻之微DS-PAW軟件）結合LDA+U算法，系統研究了Co/Mn共摻雜ZnO納米線的幾何結構、電子結構和磁性質。

當Co/Mn共摻雜取代不同位置的Zn原子時，觀察到鐵磁耦合特性。計算得到的形成能表明構型I是基態，容易形成穩定的鐵磁耦合序。Co/Mn 3d軌道未成對電子與EF附近的O 2p軌道電子的強p-d雜化效應，在上部價帶中出現擴散的鍵合態，在費米能級附近出現局限非鍵合態。在導帶中形成一個相對局限的反鍵合態。

結果表明，鐵磁耦合是由O 2p軌道介導的，并且理論計算進一步揭示了鐵磁雙交換相互作用的支配地位。磁矩主要受Co/Mn 3d軌道電子的影響，最近的Co-Mn電子對有助于鐵磁相互作用的產生。因此，通過選擇合適的共摻納米線尺寸和維度來控制鐵磁耦合和磁矩的靈活性，在應用中具有非常大的前景。本文的結果有助于設計基于ZnO的室溫稀磁半導體。




審核編輯：劉清