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3d 过渡金属磷系化合物半金属铁磁性的
第一性原理研究




重庆大学硕士学位论文
(学术学位)


学生姓名:胡凯燕
指导教师:王新强教授
专业:凝聚态物理
学科门类:理学


重庆大学物理学院
二 O 一三年四月
First Principles Study on the Electronic
and ic Structures of the
3d-Transition-Metal Pnictides



A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree of Science

By
Hu kaiyan

Supervised by Prof. Wang Xinqiang
Specialty: Condensed Matters Physics


College of Physics of Chongqing University, Chongqing, China
April 2013
重庆大学硕士学位论文中文摘要

摘要

随着科技的发展,自旋电子学材料由于其具有电荷和自旋这两个自由度同时
在固体中被利用进行信息的存储和处理,而受到越来越多的关注。如今的计算机
芯片已经达到亚微米尺度,为了提高信息存储和处理能力,器件尺寸将会小到数
十纳米、甚至几个纳米,这就要求相关材料在纳米尺度上仍然具有高自旋极化率
以及优良结构的稳定性和性能稳定性。在自旋电子学材料中目前研究最多的是稀
磁半导体材料,它的自旋极化率虽然可高达 100%,但当其尺度降到纳米量级后稀
磁半导体内磁性原子太少而导致性能下降,甚至消失,因此它并不是制备纳米尺
度的理想电子器件。这对相关材料提出了很高要求,要求它们在器件尺寸降到纳
米尺度时,仍能保持自旋取向的高度一致和优良的结构及性能稳定性。在这方面,
过渡金属磷化物闪锌矿相有较宽的非金属能带带隙,并且同时具有足够高的居里
温度和接近 100%的自旋极化率,绝大多数为半金属铁磁体,且与半导体相容。由
于它们的性能明显优于稀磁半导体,因此被认为是未来纳米尺度自旋电子学器件
的理想组件。
本文在基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)下,采用第一性原理平
面波赝势(PWP)方法,对闪锌矿结构的 3d 过渡金属磷系化合物 XY(X=V、Cr、Mn,
Y=P、As、Sb)的电子结构进行了计算,通过分析它们的能带结构、态密度、磁矩
等。得到的主要结论如下:
3d 过渡金属磷系化合物 XY(X=V、Cr、Mn,Y=P、As、Sb)
中除 MnP、MnAs 外其余均为半金属铁磁体。半金属铁磁性来源于过渡金属(V、
Cr)的 3d 中的 t2g 分别和磷系(P、As、Sb)np 杂化并且杂化的态进行了劈裂,形
成成键和反成键态。
,对过渡金属磷化物 s 态在费米能级处对总态密度的贡
献几乎为零;p 态有少量的贡献,在费米能级处主要的贡献是 d 态提供,它主要来
自过渡金属原子 V、Cr、Mn。
2
、VAs、VSb 总的磁矩为 µB,V 的磁构型为 3d ;CrP、CrAs、CrSb
3
总的磁矩为 µB,Cr 的磁构型为 3d 。该结果说明 Cr 的磷系化合物比 V 的磷系
化合物有较强的铁磁耦合。但 Mn 的磷系化合物中 MnP 总的磁矩为 µB,MnAs
总的磁矩为 µB,总磁矩不是µB 的整数倍,说明这两种化合物只是近似的半金
属铁磁体,并不是真正的半金属铁磁体。
上述结果与已有的理论计算结果比较符合的,此外我们还得出了相关的一些
规律,并对此做了解释,这对进一步研究提供了有价值的参考。
I
重庆大学硕士学位论文中文摘要

关键词:第一性原理,电磁结构,半金属铁磁性,态密度
II
重庆大学硕士学位论文英文摘要

ABSTRACT

With the development of science and technology, because spintronics materials
have the two degrees of freedom of electric charge and spin and at the same time the
two