侯清玉贾晓芳许镇潮赵春旺3)

1)(内蒙古工业大学理学院,呼和浩特 010051)

2)(内蒙古自治区薄膜与涂层重点实验室,呼和浩特 010051)

3)(上海海事大学文理学院,上海 201306)

Ni掺杂对ZnO磁光性能的影响∗

侯清玉1)2)†贾晓芳1)许镇潮1)赵春旺1)3)

1)(内蒙古工业大学理学院,呼和浩特 010051)

2)(内蒙古自治区薄膜与涂层重点实验室,呼和浩特 010051)

3)(上海海事大学文理学院,上海 201306)

(2017年2月12日收到;2017年3月2日收到修改稿)

在掺杂浓度范围为2.78%—6.25%(物质的量分数)时,Ni掺杂ZnO体系吸收光谱分布的实验结果存在争议,目前仍然没有合理的理论解释.为了解决存在的争议,在电子自旋极化状态下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建不同Ni掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行几何结构优化和能量计算.结果表明,Ni掺杂量越大,形成能越高,掺杂越难,体系稳定性越低,掺杂体系带隙越窄,吸收光谱红移越显著.采用LDA(局域密度近似)+U方法调整带隙.结果表明,掺杂体系的铁磁性居里温度能够达到室温以上,磁矩来源于p-d态杂化电子交换作用.Ni掺杂量越高,掺杂体系的磁矩越小.另外还发现Ni原子在ZnO中间隙掺杂时,掺杂体系在紫外光和可见光区的吸收光谱发生蓝移现象.

Ni掺杂ZnO,电子结构,磁光性能,第一性原理

1 引言

在室温条件下ZnO的直接带隙为3.37 eV[1],激子束缚能为60 meV,具有优异的物理和化学性能,并且原料丰富、价廉、环境友好.ZnO在室温下可能实现铁磁性.因此,ZnO基稀磁半导体(DMS)成为人们关注的焦点[2−13].

目前,在理论计……