腐蝕自動保存的

密度泛函理論對磁性材料的研究

-V,Gr,Mn摻雜MoS2磁性的研究學生：師林濤學號：16722220目錄密度泛函理論及概念介紹文獻講解總結(jié)與展望參考文獻

密度泛函理論

近似方法

密度泛函理論的主要目標是用電子密度取代波函數(shù)作為研究的基本量，是求解單電子問題的嚴格和精確的理論。但是實際遇到的固體材料主要是多粒子系統(tǒng)，因此對于多粒子系統(tǒng)的計算必須采用一些近似和簡化方法。

絕熱近似：認為離子實是瞬間固定的，可把電子的運動與離子實的運動分開處理，稱為絕熱近似，具體表達形式為

式中，為原子核的運動，為電子的運動，通過絕

熱近似，把一個多粒子系統(tǒng)簡化為一個多電子體系。

電子材料概論單電子近似：Hartree-Fock提出了自洽場近似，也稱單電子近似，認為一個電子是在離子實和其他電子所形成的勢場中運動。所導出的單電子方程，被稱為Hartree-Fock方程。周期場近似：由于晶格的周期性，我們可以合理地假設所有電子及離子實產(chǎn)生的的場都具有晶格周期性，把固體中電子的的勢能函數(shù)近似成具有晶格周期性的函數(shù)，即

其中代表正格矢。電子材料概論Hohenberg-Kohn定理

密度泛函理論的基本思想是原子、分子和固體的基態(tài)物理性質(zhì)可以用粒子數(shù)密度來表示。其理論基礎可用如下兩個基本定理來描述。

定理一：多電子系統(tǒng)在外場勢（Vext）作用下，其基態(tài)的電子密度與基態(tài)下任意力學量的可觀測量是一一對應的，且是嚴格的基態(tài)電子密度泛函，這一定理說明粒子數(shù)密度函數(shù)是確定多粒子系統(tǒng)基態(tài)物理性質(zhì)的基本變量。定理二：能量泛函

在粒子數(shù)不變的條件下對正確的粒子數(shù)密度函數(shù)取極小值，且等于基態(tài)能量。這一定理說明，如果得到了基態(tài)粒子數(shù)密度函數(shù)，就能確定能量泛函的極小值，并且這個極小值就等于基態(tài)的能量。電子材料發(fā)生腐蝕的因素Kohn-Sham方程兩點假設：1、動能泛函可用已知的無相互作用的電子系統(tǒng)的動能函數(shù)來代替，該無相互作用電子系統(tǒng)與有相互作用系統(tǒng)具有相同的密度函數(shù)；2、用多個單電子波函數(shù)構成密度函數(shù)，即，則有

利用Kohn-Sham方程，可將多電子系統(tǒng)的基態(tài)特性問題轉(zhuǎn)化為等效單電子問題。電子材料發(fā)生腐蝕的因素基于密度泛函理論的第一性原理計算方法

根據(jù)離子勢場近似方法和基函數(shù)選取的不同，在密度泛函理論框架下可以有多種不同的計算方法，例如有原子軌道線性組合法（LCAO）、正交化平面波法(OPW)、贗勢方法(PPW)、線性綴加平面波法（LAPW），在密度泛函理論內(nèi)，LAPW方法是眾多固體材料能帶計算方法中最為有效和精確的方法之一，歸納起來，它能夠給出以下有關電子態(tài)的基本物理信息：①能帶結(jié)構：電子態(tài)能量和波函數(shù)；②電荷密度：總電子密度和各電子密度；③態(tài)密度；④總能量電子結(jié)構電荷密度電荷密度就是晶體中電子密度的分布，通過電荷密度就可以知道晶體中原子間的成鍵狀態(tài)，如金屬鍵、共價鍵、離子鍵等。為了更好地表示原子形成晶體后原子間的電荷轉(zhuǎn)移和成鍵情況，引入差分電荷密度，即兩個體系中電荷密度的差值，如Ni3Al中一個Ni被被摻雜元素替代時體系的電荷密度減去沒有摻雜的Ni3Al的電荷密度，而得到差分電荷密度。通過圖形可以清楚的看出由于摻雜元素的存在導致的電子分布狀態(tài)的改變。能帶

能帶理論的出發(fā)點是固體中的電子不再束縛與個別的原子，而是在整個固體內(nèi)運動，稱為共有化電子。電子的能量狀態(tài)從從處于一個電子能級變到在一個能量范圍內(nèi)都會存在。能帶是由能級分裂而成，如圖所示電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素

電子能態(tài)密度

能態(tài)密度為能量介于E～E+△E之間的量子態(tài)數(shù)目△Z與能量差△E之比，即

圖2原子能級與能帶之間的關系電子材料發(fā)生腐蝕的因素總態(tài)密度N(E)是各能帶的態(tài)密度之和，總電子數(shù)N等于N(E)從負無窮道費米能級EF積分，即電子材料發(fā)生腐蝕的因素總態(tài)密度N(E)是各能帶的態(tài)密度之和，總電子數(shù)N等于N(E)從負無窮道費米能級EF積分，即概念介紹

實驗表明，所有物質(zhì)都具有磁性。凈磁矩是因為材料中的原子或離子周圍存在未成對的電子，使得軌道磁矩和電子磁矩不能抵消為零，導致材料顯示磁性。根據(jù)物質(zhì)在外磁場中受力的特性，物質(zhì)的磁性可分為鐵磁性、抗磁性、順磁性、反鐵磁性及亞磁性。

順磁性

順磁性來自于分子的固有磁矩，無外磁場時，各分子的固有磁矩雜亂排列，物理無限小體積中的分子磁矩矢量和為零，在外磁場作用下，各分子磁矩趨于轉(zhuǎn)向磁場B方向，顯示出順磁性，對溫度很敏感。

反鐵磁性

在磁性材料中，相鄰原子的磁矩大小相等且呈反平行排列，在無外加磁場時宏觀不表現(xiàn)磁性，只有在很強的外磁場中才表現(xiàn)出微弱的宏觀磁性。其磁化率較小，與順磁體相同，其主要區(qū)別在于它們保持自旋的有序排列。概念介紹鐵磁性

鐵磁質(zhì)內(nèi)存在許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，叫做磁疇，每個磁疇都有一定的磁矩，由電子自旋磁矩自發(fā)取向一致產(chǎn)生，與電子的軌道運動無關，不同磁疇內(nèi)的磁性取向是隨機排列的，因此材料整體可能并不顯示磁性，當加外磁場時，每個磁疇的磁矩取向都程度不同地向外磁場方向靠攏，使其取向趨于一致，就說材料被磁化。

產(chǎn)生鐵磁性的必要條件：鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子中電子的自旋磁矩，與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。

圖1.3幾種磁性的此結(jié)構及磁化強度、磁化率與溫度的關系示意圖電子材料發(fā)生腐蝕的因素總態(tài)密度N(E)是各能帶的態(tài)密度之和，總電子數(shù)N等于N(E)從負無窮道費米能級EF積分，即文獻講解研究背景幾何結(jié)構和計算方法結(jié)果與討論文獻講解-研究背景人們發(fā)現(xiàn)在非磁性的半導體材料中摻入少量3d族過度金屬或4f族過度金屬元素講獲得具有鐵磁性能的新型功能材料，被稱為稀磁半導體（DMS）.由于雜質(zhì)原子的引入，改變了原有半導體的微觀機制，使其在電、磁等方面展現(xiàn)出及其獨特的性質(zhì)，并且由于它兼有半導體和鐵磁性的性質(zhì)，易于將半導體的信息處理與磁性材料的信息存儲功能融合在一起，有望在自旋電子器件中發(fā)揮重要的作用。

近年來，具有獨特層狀結(jié)構的半導體MoS2由于獨特的物理性質(zhì)引起了科學工作者的廣泛關注，單層的MoS2在晶體管、發(fā)光二極管和太陽能電池等方面都有潛在的應用，而其在特定的條件下是否會具有磁性并且可以作為稀磁半導體在實際中進行應用，這都是人們關注的問題。

為了解MoS2的磁性行為和摻雜對其電子和磁性的影響，本文采用基于第一性原理的自旋極化密度泛函理論分別對多讀金屬V，Gr,Mn摻雜的單層MoS2的電子結(jié)構、磁性和穩(wěn)定性進行了對比研究。計算方法

本文基于密度泛函理論平面波贗勢方法，采用VASP軟件進行計算。以綴加投影波方法描述了離子實與價電子之間的相互作用。模型構建

由于MoS2[0001]面是無極性并最穩(wěn)定的面，因此選取單層3x3x1具有27個原子的超胞為研究對象，為了防止所研究的薄膜因周期性計算方法而人為引入的相互作用，在[0001]表面加上14?的真空層。文獻講解-幾何結(jié)構和計算方法圖2優(yōu)化后單層MoS2[0001]晶面結(jié)構（a）俯視圖（b）側(cè)視圖文獻講解-結(jié)果與討論晶體結(jié)構

表一摻雜后二維體系的晶面結(jié)構和體系的磁矩其中d和Θ分別表示鍵長和鍵角，X=V,Gr,Mn????。

????。

????。

類型dMo-S/?dX-S/?Θs-Mo-S/oΘs-x-S/oMtot/?BMdope/?BMMo/?BMs/?B未摻雜MoS22.414------82.548------0000V摻雜MoS22.4122.36282.89982.8820.580.220.050Gr摻雜MoS22.4112.32482.27881.8810000Mn摻雜MoS22.4142.30882.43082.1431.031.100.12-0.01電子材料的腐蝕特點和類型磁性分析

電荷轉(zhuǎn)移機理來解釋磁性的來源，每個s原子需要從最近的過度金屬或Mo原子上捕獲兩個額外的電子。Mo與s原子的外層電子層結(jié)構分別為4d55s1、3s23p4，所以純的MoS2態(tài)密度是自旋非極化的,這說明MoS2中局域磁矩不能形成.因此,純MoS2薄膜不具有磁性。而V與Mn的分別為3d34s2

、3d54s2。

電子材料腐蝕的防護措施

電子材料防腐蝕研究發(fā)展動向

圖三能帶和態(tài)密度圖（a）未摻雜的MoS2；（b）V摻雜的MoS2;（c）Mn摻雜的MoS2電子材料的腐蝕特點和類型圖三摻雜MoS2體系的自旋密度（a）V摻雜的MoS2；（b）Mn摻雜的MoS2，藍色表示自旋向上，紅色表示自旋向下給出了V和Mn摻雜體系的自旋電荷密度圖，兩種體系中磁矩都主要是局域在摻雜原子上，Mo原子也有少量貢獻，而S原子的自旋電荷密度幾乎為零，與表一的計算結(jié)果一致。電子材料的腐蝕特點和類型圖4（a）(5x5x1)MoS2超胞，其中（0,1），（0,2），（0,3）表示量個V（或Mn）的摻雜位置；（b）Mn摻雜在（0,3）位置的自旋密度圖，其中Mn-Mn之間為鐵磁耦合。圖4（b）描述了Mn-Mn在距離較遠的（0,3）位時，考慮它們之間具有鐵磁耦合情況下其自旋電荷密度分布，可以看出磁矩主要局域在摻雜的兩個Mn原子上，且兩個Mn都為自旋向上，表明Mn-Mn之間存在較強的FM耦合

。而當考慮兩個Mn原子為反鐵磁耦合時，發(fā)現(xiàn)其電荷自旋密度分布非常弱，說明（0,3）位置AFM耦合不穩(wěn)定。電子材料的腐蝕特點和類型表2兩個Mn或V共同摻雜MoS2晶面的計算結(jié)果

替換位置

d/?

ΔE/meVΔEm/meVMn摻雜(0,1)3.451027.5(0,2)5.6370.770.5(0,3)6.511427.231.8V摻雜(0,1)3.2220-59.4(0,2)5.51081.0-59.4(0,3)6.371112.3-35.5ΔE：不同摻雜體系與摻雜位置在（0,1）體系相比較的能量差。ΔEm：反鐵磁態(tài)與鐵磁態(tài)的能量差。Mn摻雜的MoS2薄膜具有比較好的FM性質(zhì)，摻雜距離增大時，F(xiàn)M耦合并未很快消失，其FM相對比較穩(wěn)定。當摻雜V時，計算三種體系的AFM態(tài)，

AFM初始態(tài)優(yōu)化之后均為非自旋化(NSP)基態(tài),

在這種情況