掺杂和空位对单层sns2电子结构和磁性的影响
随着半导体器件逐步发展，愈来愈多的半导体材料被应用在现代化的器件当中，单层SnS2作为半导体家族当中的一员受到人们广泛的关注。本文采用密度泛函理论系统的研究了单层SnS2的空位、非金属和过渡金属掺杂对其电子性质和磁性的影响。研究表明纯净的单层SnS2是带隙宽度为1.60eV的非磁性半导体。S空位的单层SnS2是带隙为1.62eV的非磁性半导体，Sn空位的SnS2单层为磁性半导体。非金属元素C和N掺杂单层SnS2都是磁性半导体，带隙宽度分别为0.489eV和0.625eV，O掺杂的单层SnS2是带隙为1.57eV的非磁性半导体。过渡金属Fe掺杂单层SnS2是磁性半导体，带隙宽度为0.108eV，而过渡金属Co和Ni掺杂单层SnS2都是非磁性的半导体，带隙宽度分别为1.49eV和1.44eV。关键词 SnS2，电子性质，磁性，密度泛函，空位，掺杂
目 录
1 绪论 1
1.1 稀磁半导体研究现状 1
1.2 SnS2的性质和研究现状 4
2 计算方法 4
2.1 第一性原理方法 5
2.2 密度泛函理论介绍 5
2.2.1 HohenbergKohn定理介绍 5
2.2.2 Kohn Sham方程 5
2.2.3 局域密度近似（LDA）简介 6
2.3 应用密度泛函理论优化计算超胞结构的具体过程 6
3 掺杂和空位对单层SnS2电子结构和磁性影响 7
3.1 引言 7
3.2 结构优化 8
3.3 结果与讨论 10
3.3.1 S和Sn空位的电子结构和磁性分析 10
3.3.2 非金属元素掺杂的电子结构和磁性分析 13
3.3.3 过渡金属元素掺杂的电子结构和磁性分析 16
3.4 本章小结 18
结论 20
致 谢 21
参考文献 22
1 绪论
稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors，DMS）主要是指将ⅡⅥ族化合物半导体中的原有部分原子用过渡金属元素或稀土元素金属原子来替代，从而形成的磁性半导 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
体，这类化合物半导体也有ⅣⅥ族或ⅢⅤ族元素组成的半导体。此外，还有通过应力作用使化合物产生缺陷，也可以产生磁性。因为一般稀磁半导体掺入杂质十分之少，因此半导体产生的磁性特别弱，所以又可以称之为半磁半导体，稀磁半导体同时具有半导体材料和磁性材料两者的优异性质。之所以称为稀磁半导体是因为其内所含磁性元素较之于普通的磁性材料少的多。这类材料自身就有局域磁性顺磁离子，是因为里面阳离子替代的原因存在，因此这类材料就有着局域磁性顺磁离子，所以这类材料的局域自旋磁矩就十分强。局域顺磁离子与电子或空穴之间的自旋和自旋相互之间作用从而使稀磁半导体具有许多与普通半导体所没有的特殊性质，像一般半导体材料所没有的磁性特点及显著的磁光效应和特有的磁输运性质。稀磁半导体不仅拥有半导体的材料信息处理能力，而且还具有磁性材料的信息存储功能；此外稀磁半导体还将半导体材料独有的优点与磁性材料特有的不易失的性质两者结合到一起。稀磁半导体材料的成功研制是物理化学领域的革命性进展[1]。稀磁半导体将磁性与半导体两门科学十分融洽的结合到了一起，这是半导体器件物理的重要进步。近几年来，稀磁半导体是各个国家物理研究的重要组成部分。
1.1 稀磁半导体研究现状
如今, 许多人通过研究观察到将些许过渡金属元素掺杂到不含任何磁性的半导体材料中，该材料可以获得普通半导体材料所没有的性质，例如磁性材料具有的铁磁性、光电材料所拥有的优异的光电性质。此外，人们通过研究还发现:运用类似的方法将同为金属元素的稀土元素掺入到一些非磁半导体中，也具有与上述的相同性质。通过上述两种方法获得的材料被人们称为半磁半导体，由于其磁性比一般的磁性材料弱得多，所以又被大家称作稀磁半导体被称为稀磁半导体（简称DMS）。但是，这种材料因为掺入其它杂质, 改变了之前的化合物半导体的微观机制,因此这类材料不仅在光电方面展现出独特性质，而且在磁性等方面也拥有特别之处。因为它不仅有着半导体材料的特性，还同磁性材料一样具有铁磁性质，所以这种材料之中应用电子电荷和自旋两类自由度兼而有之。但是，人们对于稀磁半导体中磁性的来源都有着各自的理解和说法。Ohno 等[2]人坚持GaAs和MnAs之所以会呈现出磁性，是由于半导体内部存在空穴载流子的说法。对于磁性的来源，Akai[3]则认为ⅢⅤ族的稀磁半导体磁性来源于其磁性离子与掺杂的磁性离子之间有相互交换作用，故而稀磁半导体才会产生铁磁性质。还有一些人则认为，磁性不是材料本身所固有的性质，是由于材料中某原子聚集所引起的，Snure[4]等通过Ni掺杂ZnO薄膜的研究,发现磁性来源于掺入的Ni原子。因为要弄清楚稀磁半导体中的磁性的源头，许多研究人员对各种各样的半导体类型进行了数种方法的尝试。被用来尝试的半导体材料以ⅡⅥ和ⅢⅤ族半导体材料为主，此外还有ⅡⅤ和ⅣⅥ族半导体材料也被人们用来作一些研究。而目前半导体材料主要分为三大类：（1）ⅡⅥ族稀磁半导体、（2）ⅢⅤ族稀磁半导体、（3）ⅣⅥ族稀磁半导体。
对于ⅡⅥ族稀磁半导体的研究，主要集中在光学性能方面。虽然在磁性方面的研究也是比较深入的，但是要掺杂成为n型半导体或者p型半导体非常之难，却也因此成为了其在半导体器件行业应用的限制性。在现代化的电器中ⅢⅤ族稀磁半导体有着十分宽广的应用前景，目前所熟知的有：手机的微波晶体管和唱片机里的半导体激光器。但是其局限性也是十分明显，磁性粒子在ⅢⅤ族半导体化合物中的固溶度太低，并且居里温度比室温低得多。就目前的ⅢⅤ族稀磁半导体而言，最高居里温度也仅为200K[5]，这种情况在现实应用中有很大的不利性。但是随着分子外延技术的大力发展，现在在这一困难也得到了克服。这几年，许多研究人员特别重视对一些过渡金属氧化物以及硫化物的研究。就目前来说，过渡金属硫氧化物是材料种类中非常热门的人选。过渡金属硫化物不仅拥有优异的光学性能，还具有突出的磁电性能，同时在润滑和催化方面的性能也不差。目前对SnS2的报道屈指可数，但对与其性能相似的ZnO、MoS2之类的报道却数不胜数，而且对MoS2报道更是重中之重。
目前ZnO样品的制备主要以共沉淀为主，研究Mn离子对ZnO基稀磁半导体掺杂后产生的电子结构和样品磁性的变化，并且还要在一般的空气环境下样品经过不同的退火温度而产生的不同变化。通过研究分析可知，ZnO样品在不同退火温度下产生的磁性强弱也不同，而且显示的磁性性质也大不相同。研究还发现掺杂后的稀磁半导体在不同退火温度下结构也会改变，随着退火温度的增加，样品磁性也在减弱，而且会由之前的室温铁磁性逐步转变为顺磁性质。综合之前有关ZnO的掺杂研究表明磁性来自于Mn离子对ZnO中Zn离子产生了替换作用。
目 录
1 绪论 1
1.1 稀磁半导体研究现状 1
1.2 SnS2的性质和研究现状 4
2 计算方法 4
2.1 第一性原理方法 5
2.2 密度泛函理论介绍 5
2.2.1 HohenbergKohn定理介绍 5
2.2.2 Kohn Sham方程 5
2.2.3 局域密度近似（LDA）简介 6
2.3 应用密度泛函理论优化计算超胞结构的具体过程 6
3 掺杂和空位对单层SnS2电子结构和磁性影响 7
3.1 引言 7
3.2 结构优化 8
3.3 结果与讨论 10
3.3.1 S和Sn空位的电子结构和磁性分析 10
3.3.2 非金属元素掺杂的电子结构和磁性分析 13
3.3.3 过渡金属元素掺杂的电子结构和磁性分析 16
3.4 本章小结 18
结论 20
致 谢 21
参考文献 22
1 绪论
稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors，DMS）主要是指将ⅡⅥ族化合物半导体中的原有部分原子用过渡金属元素或稀土元素金属原子来替代，从而形成的磁性半导 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
体，这类化合物半导体也有ⅣⅥ族或ⅢⅤ族元素组成的半导体。此外，还有通过应力作用使化合物产生缺陷，也可以产生磁性。因为一般稀磁半导体掺入杂质十分之少，因此半导体产生的磁性特别弱，所以又可以称之为半磁半导体，稀磁半导体同时具有半导体材料和磁性材料两者的优异性质。之所以称为稀磁半导体是因为其内所含磁性元素较之于普通的磁性材料少的多。这类材料自身就有局域磁性顺磁离子，是因为里面阳离子替代的原因存在，因此这类材料就有着局域磁性顺磁离子，所以这类材料的局域自旋磁矩就十分强。局域顺磁离子与电子或空穴之间的自旋和自旋相互之间作用从而使稀磁半导体具有许多与普通半导体所没有的特殊性质，像一般半导体材料所没有的磁性特点及显著的磁光效应和特有的磁输运性质。稀磁半导体不仅拥有半导体的材料信息处理能力，而且还具有磁性材料的信息存储功能；此外稀磁半导体还将半导体材料独有的优点与磁性材料特有的不易失的性质两者结合到一起。稀磁半导体材料的成功研制是物理化学领域的革命性进展[1]。稀磁半导体将磁性与半导体两门科学十分融洽的结合到了一起，这是半导体器件物理的重要进步。近几年来，稀磁半导体是各个国家物理研究的重要组成部分。
1.1 稀磁半导体研究现状
如今, 许多人通过研究观察到将些许过渡金属元素掺杂到不含任何磁性的半导体材料中，该材料可以获得普通半导体材料所没有的性质，例如磁性材料具有的铁磁性、光电材料所拥有的优异的光电性质。此外，人们通过研究还发现:运用类似的方法将同为金属元素的稀土元素掺入到一些非磁半导体中，也具有与上述的相同性质。通过上述两种方法获得的材料被人们称为半磁半导体，由于其磁性比一般的磁性材料弱得多，所以又被大家称作稀磁半导体被称为稀磁半导体（简称DMS）。但是，这种材料因为掺入其它杂质, 改变了之前的化合物半导体的微观机制,因此这类材料不仅在光电方面展现出独特性质，而且在磁性等方面也拥有特别之处。因为它不仅有着半导体材料的特性，还同磁性材料一样具有铁磁性质，所以这种材料之中应用电子电荷和自旋两类自由度兼而有之。但是，人们对于稀磁半导体中磁性的来源都有着各自的理解和说法。Ohno 等[2]人坚持GaAs和MnAs之所以会呈现出磁性，是由于半导体内部存在空穴载流子的说法。对于磁性的来源，Akai[3]则认为ⅢⅤ族的稀磁半导体磁性来源于其磁性离子与掺杂的磁性离子之间有相互交换作用，故而稀磁半导体才会产生铁磁性质。还有一些人则认为，磁性不是材料本身所固有的性质，是由于材料中某原子聚集所引起的，Snure[4]等通过Ni掺杂ZnO薄膜的研究,发现磁性来源于掺入的Ni原子。因为要弄清楚稀磁半导体中的磁性的源头，许多研究人员对各种各样的半导体类型进行了数种方法的尝试。被用来尝试的半导体材料以ⅡⅥ和ⅢⅤ族半导体材料为主，此外还有ⅡⅤ和ⅣⅥ族半导体材料也被人们用来作一些研究。而目前半导体材料主要分为三大类：（1）ⅡⅥ族稀磁半导体、（2）ⅢⅤ族稀磁半导体、（3）ⅣⅥ族稀磁半导体。
对于ⅡⅥ族稀磁半导体的研究，主要集中在光学性能方面。虽然在磁性方面的研究也是比较深入的，但是要掺杂成为n型半导体或者p型半导体非常之难，却也因此成为了其在半导体器件行业应用的限制性。在现代化的电器中ⅢⅤ族稀磁半导体有着十分宽广的应用前景，目前所熟知的有：手机的微波晶体管和唱片机里的半导体激光器。但是其局限性也是十分明显，磁性粒子在ⅢⅤ族半导体化合物中的固溶度太低，并且居里温度比室温低得多。就目前的ⅢⅤ族稀磁半导体而言，最高居里温度也仅为200K[5]，这种情况在现实应用中有很大的不利性。但是随着分子外延技术的大力发展，现在在这一困难也得到了克服。这几年，许多研究人员特别重视对一些过渡金属氧化物以及硫化物的研究。就目前来说，过渡金属硫氧化物是材料种类中非常热门的人选。过渡金属硫化物不仅拥有优异的光学性能，还具有突出的磁电性能，同时在润滑和催化方面的性能也不差。目前对SnS2的报道屈指可数，但对与其性能相似的ZnO、MoS2之类的报道却数不胜数，而且对MoS2报道更是重中之重。
目前ZnO样品的制备主要以共沉淀为主，研究Mn离子对ZnO基稀磁半导体掺杂后产生的电子结构和样品磁性的变化，并且还要在一般的空气环境下样品经过不同的退火温度而产生的不同变化。通过研究分析可知，ZnO样品在不同退火温度下产生的磁性强弱也不同，而且显示的磁性性质也大不相同。研究还发现掺杂后的稀磁半导体在不同退火温度下结构也会改变，随着退火温度的增加，样品磁性也在减弱，而且会由之前的室温铁磁性逐步转变为顺磁性质。综合之前有关ZnO的掺杂研究表明磁性来自于Mn离子对ZnO中Zn离子产生了替换作用。
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