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摘要：氧化锌(ZnO)作为一种具有优良压电、光电特性的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，在电学、光学和磁学等方面具有广阔的运用前景。特别是ZnO基稀磁性半导体材料，由于可能具有超过室温的居里温度Tc、大的磁性离子溶解度、在可见光范围内透明等特点，有希望成为新一代信息处理和储存、量子计算和量子通讯等领域的重要材料。本论文运用基于密度泛函论述框架下的第一性原理计算策略，系统探讨了ZnO纳米材料及其3d过渡金属掺杂的一维ZnO纳米材料的几何结构、电子结构以及磁、光、电属性，浅析了一维ZnO基稀磁半导体材料的磁性来源和磁性耦合机理，以及过渡金属掺杂对一维ZnO纳米材料磁学、电学和光学性能的影响，为实验制备高质量、高居里温度的一维ZnO纳米磁性材料提供了论述依据。论文的主要内容和结果如下：1. ZnO体材料电子结构的论述探讨。采取基于密度泛函论述的第一性原理计算策略，比较探讨了ZnO体材料采取不同的交换关联函数时的基本结构和性质。计算结果显示，采取LDA+U和B3LYP交换关联泛函策略显著优于单独采取GGA和LDA的计算结果，LDA+U和B3LYP密度泛函计算得到的带隙值更接近于实验值，但LDA+U和B3LYP耗时将成倍增加，而GGA所用时间最短。2. ZnO纳米线和纳米管电子结构与属性的论述探讨。采取密度泛函论述探讨了ZnO纳米线和纳米管的几何结构、电子结构和光学性质。探讨发现，随着ZnO纳米线尺寸的增加，结合能逐渐降低，系统逐渐趋于更加稳定的结构。电荷密度计算结果显示整个ZnO纳米线中Zn-O之间主要以共价键为主，同时兼有离子键成分，p-d轨道具有强烈的交叠杂化效应，整个纳米线表面电荷都向外偏聚，电子的离域性增大，Zn-O间共价性减弱，离子性增强。ZnO纳米管论述计算结果显示，所有构型的纳米管都由原来的皱褶型转变成圆柱形管状结构，结合能都为负值，表明单壁ZnO纳米管是可以稳定有着的。电子结构计算显示ZnO纳米管是一直接带隙的宽禁带半导体材料，带隙值都显著大于体材料；随着纳米管管径的增加，整个价带与体材料相比显著展宽，且向低能方向漂移，在价带顶出现了表面效应引起的缺陷态能级；ZnO纳米线和纳米管光学性质计算结果显示，随着ZnO纳米线尺寸和纳米管管径的减小，吸收光谱发生了蓝移现象，且对应于紫外波段。3.3d过渡金属掺杂ZnO纳米线磁学、光学和电学性能的探讨。采取基于自旋极化的密度泛函论述计算策略，系统探讨了3d过渡金属掺杂ZnO纳米线的几何结构、电子结构以及磁学、电学和光学属性。探讨发现，V掺杂系统只具有铁磁性耦合特点，Mn掺杂只具有反铁磁特点，而Cr、Fe、Co和Ni掺杂系统不同的取代位置则对应于不同的磁性耦合特点，由此，3d过渡金属掺杂ZnO纳米线具有丰富的磁学现象，特别是对于Co掺杂，铁磁性耦合形成了半导体磁性材料，论述预测具有优异的磁光性能，而反铁磁性掺杂却形成了半金属磁性材料。光学性能计算结果显示，3d过渡金属掺杂对ZnO纳米线的整体光学性质影响并不大，Mn、Fe、Co、Ni掺杂都发生了蓝移现象，Cr掺杂发生了红移现象。4.3d过渡金属掺杂ZnO纳米管磁学、光学和电学性能的探讨。采取基于自旋极化的密度泛函论述框架下的第一性原理计算策略，探讨了3d过渡金属掺杂ZnO纳米管的几何结构、电子结构以及磁学、电学和光学属性。探讨结果表明，V、Cr和Mn掺杂ZnO纳米管更容易形成铁磁性材料，具有很强的磁性；Fe和Co掺杂ZnO纳米管更容易形成反铁磁材料；而Ni掺杂ZnO纳米管反铁磁性能较铁磁性能稍稳定。电子结构计算结果显示，在费米能级附近3d态分裂为离域的三重态t2g和局域的二重态eg，出现了强烈的杂化耦合特点；光学性质计算结果显示，3d过渡金属掺杂ZnO纳米管在紫外区出现了3个显著的吸收峰，近紫外吸收带边发生了红移，400nm处的吸收峰发生了一定的蓝移，且Mn、Fe、Co、Ni吸收峰强度显著增强，而Cr的吸收峰强度减弱。论述计算结果表明3d过渡金属掺杂ZnO纳米管是一种优异的紫外光电子材料。关键词：ZnO论文密度泛函论述论文纳米线论文纳米管论文3d过渡金属掺杂论文
摘要3-5
ABSTRACT5-9
目录9-14
第一章 绪论14-42
1.1 前言14-16
1.2 稀磁半导体材料探讨概述16-24
1.2.1 稀磁半导体材料的探讨历史与近况16-19
1.2.2 稀磁半导体材料的磁性机理19-22
1.2.3 稀磁半导体的运用前景与有着的不足22-24
1.3 ZnO 半导体材料的探讨概述24-33
1.3.1 ZnO 的基本特性和基本结构25-28
1.3.2 ZnO 基稀磁半导体的探讨28-33
1.4 本论文的主要工作和探讨内容33-34