基于密度泛函理论的NiAs型MnTe第一原理计算.docx

文章编号 ：１６７３－５８６２（２０１４）０１－００３２－０５基于密度泛函理论的 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ第一原理计算张思，封文江，朱影，尹小荷，郭帅帅，何江海，徐雅辉，孟萍萍（沈阳师范大学 物理科学与技术学院，沈阳 １１００３４）摘 要：运用 ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ６．０程 序 ＣＡＳＴＥＰ 软件包建立 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ单 胞和１×１×１０ 的超胞模型 ，采 用 ＧＧＡ－ＰＢＥ－ＴＳ近 似 ，得出能带结构和态密度曲线 。ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ为 间 接 能 隙 窄带半导体 ，带 隙为 ０．８４３ｅＶ；ＭｎＴｅ单胞的下价带在 －１２．５～ －１０．５ｅＶ，是一条二重简并带 。在－６～ －３．５ｅＶ 和０．８～２．６ｅＶ 主要由 Ｍｎ原 子的ｄ态电子贡献 ，该 Ｍｎ原 子的ｄ电子的有效质量 较大 ，导致强的电子局域性 ；ＭｎＴｅ１×１×１０超 胞的帯隙为 ０．６２３ｅＶ，下 价 带 位 于 －１３～ －１１ｅＶ， 对比单胞略微下移 ；在上价带和导带区域 ，ＭｎＴｅ超 胞ｄ态电子的能带和态密度都比 ＭｎＴｅ单 胞的 变化平稳 ，整体形成较宽的赝能隙 ，说 明 Ｍｎ离子的共价性较强 。关 键 词：ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ；能 带结构；态密度 中图分类号：Ｏ４６９文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－５８６２．２０１４．０１．００７０ 引 言磁性半导体（ｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）是一 种同时体现铁磁性和半导体特性的半导体材料。 如果 在设备里使用磁性半导体 ，它们将提供一种新型的导电方式 。尽管传统的电子技术是基于载流子 （ｎ 型 或者ｐ型），但实用的磁性半导体允许对量子自旋进行控制 。理论上，这将提供接近完全的自旋极化（在 铁等材料 中 仅 能 提 供 至 多 ５０％ 的 极 化 ），是自旋电子学的一个重要应 用 ，例 如 自 旋 晶 体 管 （ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）。自旋注入设备具有隧道效应［１］、巨磁电阻 效应［２］、磁 卡效应［３］等 特性，可 应用于新型传感 器、磁记录读出磁头、随机存储器，具 有高存储、高 效率、非 易失性、低 能耗等性能［４］。ＺｎＯ 作为一种典型的宽带半导体材料，具有优异的光电特性 ，在发光二极管、电致荧光器等领域中有着广泛的应用［５］。β 型 Ｇａ２Ｏ３ 是目前所知的禁带宽度最大的透明半导体材料 ，可 作用于更短波长 范围内的新一代光电器 件［６］。ＭｎＴｅ是一种自旋磁性材料 ，具有光学性质 和磁运输等特性。 在 １０４０ ℃以下，ＭｎＴｅ的 稳定相 是密排六方 ＮｉＡｓ型结 构，ｐ 型半导体，帯 隙为 ０．７４ｅＶ［７－９］。 李耀彪［２］利 用磁控电弧熔炼的方法制备出ｘ＝０．０５，０．１，０．１５的 Ｍｎ１－ｘＣｒｘＴｅ化合物，并 用 Ｘ 射线衍射谱及电子扫描显微镜 （ＳＥＭ）进 行观测分析，得出 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ材料为反铁磁性半导体 的结论。Ｎ．Ｈ．Ｌｏｎｇ［１０］等 人对 ＭｎＴｅ的 掺杂材料进行 过 ＫＫＲ－ＣＰＡ 的第一原理计 算 方 面 的 研 究 ，认 为 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ 材 料 具 有 半 金 属 的 特 性。Ｄｕｒｂｉｎ 和 Ｇｉｅｂｕｌｔｏｗｉｃｚ等在不同的衬底上制备出 ＭｎＴｅ闪锌矿单 晶薄膜［１１］。 本文运用第一原理计算的方法 ，利 用 ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ６．０软件中的 ＣＡＳＴＥＰ 程序包进行模拟 ，计算了 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ单胞在不同自旋方 向、不同近似条件下及不同截断能下的晶格常数 、能带结构和态密度 ，并计算了 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ１×１×１０收稿日期 ：２０１３－０９－１０。基金项目： 辽宁省科学技术计划项目（２０１０２２００１２）； 辽宁省教育 厅 高 等学校 优 秀 人才资 助 项 目 （ＬＪＱ２０１１１１７）； 沈阳师范大学实 验中心重点项目（ＳＹＺＸ１００３）。作者简介： 张 思（１９８６－），女 ，河 北黄骅人 ，沈阳师范大学硕士研究生 ； 通信作者： 封文江（１９７４－），男 ，河 北石家庄人 ，沈 阳师范大 学副教授 ，博 士 ，硕士研究生导师 。第 １期张 思 ，等 ：基于密度泛函理论的 ＮｉＡｓ型 ＭｎＴｅ第 一原理计算 ３３超胞的能带结构和态密度。１ 理论模型与计算参数ＣＡＳＴＥＰ（ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｅｒｉａｌＴｏｔａｌＥｎｅｒｇｙＰａｃｋａｇｅ）是以量子力学 为理论基础 、运 用密度泛函理论 的平面波赝势方法进行设计的程序包，主要是用来计算能量 、几 何优化和分子动力学模拟 。ＣＡＳＴＥＰ 最主要的特点是计算半导体 、金属等材料的性质 。它是目前材料计算中使用非常广泛的电子结构计算 方法。作为 Ｃｅｒｉｕｓ２和 ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ的量