课题编号

ZD201
6042

课题名称

基于DFT研究新型自旋电子器件

起止时间

2016.01-2018.05

下达单位

省教育厅

是否验收

是

验收证书编号

冀教科验字[2018]第[181]号

课题主要简介：

    本项目采用第一性原理的计算方法，对二维体系的MgO、SnO2、石墨烯、h-BN材料，以及c-ZrO2、HfO2、GaN等材料展开了电子结构方面的系统研究。研究发现，氧空位VO并不能在MgO表面引入局域磁矩，而镁空位VMg是导致该体系d0铁磁性的根源；元素C、N掺杂MgO表面的结果显示N掺杂该体系比C更适合自旋电子材料；过渡金属元素Co掺杂MgO表面能产生稳定的自旋电子态，而Ni元素不能引入局域磁矩；无论是Ni还是Co，当掺入体材料MgO中时均能引入局域磁性态。SnO2的非磁性掺杂结果表明无论是C元素还是N元素之间，不同距离的磁性耦合均为反铁磁为主。石墨烯的Co、Ni掺杂研究表明，单掺情况下体系的基态均不是铁磁的。Co、Ni无论是掺杂BN单层，还是ZrO2材料，只有Ni掺杂的材料适合做自旋电子器件。此外，对HfO2以及GaN的点缺陷也进行了较深入的研究。

课题主要成果：
    对自旋作为信息载体的自旋电子器件展开相应的理论基础研究，具体以二维结构为基本研究方向，系统的探索石墨烯、六方BN单层等材料的自旋电子特性，以及氧化物材料MgO、SnO2等存在的d0铁磁性进行深入研究，并揭示这一现象的物理本质。本项目采用的基本研究手段为基于密度泛函理论  （DFT）的第一性原理计算方法，研究目标为研究相应材料的自旋输运特性，进而为设计新型自旋电子器件，提供坚实的理论依据。
    本项目的创新性研究成果如下：
 1、首次系统的揭示了VMg空位在MgO（001）表面引入的d0铁磁性，并建立了相应的自旋电子模型；
 2、揭示了非磁性元素C、N以及过渡金属元素Co、Ni等在MgO表面产生磁性的规律
 3、揭示了C、N等非磁性元素在SnO2表面的自旋作用机制;
 4、建立了Co、Ni等掺杂石墨烯、BN、ZrO2的铁磁性机制;
 5、揭示了点缺陷对HfO2及GaN材料的电子结构的影响情况；
    应当说我们的研究是崭新的，研究成果达到了国际较高水准，且已发表在国际SCI期刊论文4篇。