腐蝕[自動保存的]

1、LOGO密度泛函理密度泛函理論對論對磁性材料的磁性材料的研研究究 -V,Gr,Mn摻雜摻雜MoS2磁性的磁性的研研究究學(xué)學(xué)生：生：師師林林濤濤學(xué)號學(xué)號：16722220目錄目錄密度泛函理論及概念介紹文獻(xiàn)講解總結(jié)與展望參考文獻(xiàn)密度泛函理論密度泛函理論 l 近似方法近似方法 密度泛函理論的主要目標(biāo)是用電子密度取代波函數(shù)作為研究的基本量，是求解單電子問題的嚴(yán)格和精確的理論。但是實(shí)際遇到的固體材料主要是多粒子系統(tǒng)，因此對于多粒子系統(tǒng)的計(jì)算必須采用一些近似和簡化方法。 絕熱近似：認(rèn)為離子實(shí)是瞬間固定的，可把電子的運(yùn)動與離子實(shí)的運(yùn)動分開處理，稱為絕熱近似，具體表達(dá)形式為 式中， 為原子核的運(yùn)動， 為電子的

2、運(yùn)動，通過絕 熱近似，把一個(gè)多粒子系統(tǒng)簡化為一個(gè)多電子體系。 RrRRr, RRr,電子材料概論電子材料概論 單電子近似：單電子近似：Hartree-Fock提出了自洽場近提出了自洽場近似，也稱單電子近似，認(rèn)為一個(gè)電子是在離子實(shí)似，也稱單電子近似，認(rèn)為一個(gè)電子是在離子實(shí)和其他電子所形成的勢場中運(yùn)動。所導(dǎo)出的單電和其他電子所形成的勢場中運(yùn)動。所導(dǎo)出的單電子方程，被稱為子方程，被稱為Hartree-Fock方程。方程。 周期場近似：由于晶格的周期性，我們可以合理周期場近似：由于晶格的周期性，我們可以合理地假設(shè)所有電子及離子實(shí)產(chǎn)生的的場都具有晶格地假設(shè)所有電子及離子實(shí)產(chǎn)生的的場都具有晶格周期性，把固

3、體中電子的的勢能函數(shù)近似成具有周期性，把固體中電子的的勢能函數(shù)近似成具有晶格周期性的函數(shù)，即晶格周期性的函數(shù)，即 其中其中 代表正格矢。代表正格矢。321，和，aaa321，和，aaa電子材料概論電子材料概論l Hohenberg-Kohn定理定理 密度泛函理論的基本思想是原子、分子和固體的基態(tài)物理性質(zhì)可以用粒子數(shù)密度來表示。其理論基礎(chǔ)可用如下兩個(gè)基本定理來描述。 定理一：多電子系統(tǒng)在外場勢（Vext）作用下，其基態(tài)的電子密度 與基態(tài)下任意力學(xué)量的可觀測量是一一對應(yīng)的，且是嚴(yán)格的基態(tài)電子密度 泛函，這一定理說明粒子數(shù)密度函數(shù)是確定多粒子系統(tǒng)基態(tài)物理性質(zhì)的基本變量。 定理二：能量泛函 在粒子數(shù)不

4、變的條件下對正確的粒子數(shù)密度函數(shù) 取極小值，且等于基態(tài)能量。這一定理說明，如果得到了基態(tài)粒子數(shù)密度函數(shù)，就能確定能量泛函的極小值，并且這個(gè)極小值就等于基態(tài)的能量。）r（）r（ E）r（電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素l Kohn-Sham方程方程兩點(diǎn)假設(shè)：兩點(diǎn)假設(shè)：1、動能泛函、動能泛函 可用已知的無相互作用的電子系可用已知的無相互作用的電子系統(tǒng)的動能函數(shù)統(tǒng)的動能函數(shù) 來代替，該無相互作用電子系統(tǒng)與有相互作來代替，該無相互作用電子系統(tǒng)與有相互作用系統(tǒng)具有相同的密度函數(shù)；用系統(tǒng)具有相同的密度函數(shù)；2、用多個(gè)單電子波函數(shù)、用多個(gè)單電子波函數(shù) 構(gòu)構(gòu)成密度函數(shù)成密度函數(shù) ，即，即 ，則有，

5、則有 利用利用Kohn-Sham方程，可將多電子系統(tǒng)的基態(tài)特性問題方程，可將多電子系統(tǒng)的基態(tài)特性問題轉(zhuǎn)化為等效單電子問題。轉(zhuǎn)化為等效單電子問題。 sT ri r niirr12 rErrViiiks221 T電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素l 基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法 根據(jù)離子勢場近似方法和基函數(shù)選取的不同，在密度泛函理論框架下可以有多種不同的計(jì)算方法，例如有原子軌道線性組合法（LCAO）、正交化平面波法(OPW)、贗勢方法(PPW)、線性綴加平面波法（LAPW），在密度泛函理論內(nèi)，LAPW方法是眾多固體材料能帶計(jì)算方法中最為有效和精確的方法之一，歸納起來，它能夠給出以

6、下有關(guān)電子態(tài)的基本物理信息：能帶結(jié)構(gòu)：電子態(tài)能量和波函數(shù)；電荷密度：總電子密度和各電子密度；態(tài)密度；總能量l 電子結(jié)構(gòu) 電荷密度電荷密度就是晶體中電子密度的分布，通過電荷密度就可以知道晶體中原子間的成鍵狀態(tài)，如金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵等。為了更好地表示原子形成晶體后原子間的電荷轉(zhuǎn)移和成鍵情況，引入情況，引入差分電荷密度，差分電荷密度，即兩個(gè)體系中電荷密度的差值，如即兩個(gè)體系中電荷密度的差值，如Ni3Al中一個(gè)中一個(gè)Ni被被摻雜元素替代時(shí)體系的電荷密度減去沒有摻雜的被被摻雜元素替代時(shí)體系的電荷密度減去沒有摻雜的Ni3Al的的電荷密度，而得到差分電荷密度。通過圖形可以清楚的看出由于電荷密度，而得到差

7、分電荷密度。通過圖形可以清楚的看出由于摻雜元素的存在導(dǎo)致的電子分布狀態(tài)的改變。摻雜元素的存在導(dǎo)致的電子分布狀態(tài)的改變。 能帶能帶 能帶理論的出發(fā)點(diǎn)是固體中的電子不再束縛與個(gè)別的原子，能帶理論的出發(fā)點(diǎn)是固體中的電子不再束縛與個(gè)別的原子，而是在整個(gè)固體內(nèi)運(yùn)動，稱為共有化電子。電子的能量狀態(tài)從從而是在整個(gè)固體內(nèi)運(yùn)動，稱為共有化電子。電子的能量狀態(tài)從從處于一個(gè)電子能級變到在一個(gè)能量范圍內(nèi)都會存在。能帶是由能處于一個(gè)電子能級變到在一個(gè)能量范圍內(nèi)都會存在。能帶是由能級分裂而成，如圖所示級分裂而成，如圖所示電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素 電子能態(tài)密度

8、電子能態(tài)密度 能態(tài)密度為能量能態(tài)密度為能量介于介于EE+E之間的量子態(tài)數(shù)目之間的量子態(tài)數(shù)目Z與與能量差能量差E之之比，即比，即 EZEN lim電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素總態(tài)密度N(E)是各能帶的態(tài)密度之和，總電子數(shù)N等于N(E)從負(fù)無窮道費(fèi)米能級EF積分，即 EENNdFE電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素總態(tài)密度N(E)是各能帶的態(tài)密度之和，總電子數(shù)N等于N(E)從負(fù)無窮道費(fèi)米能級EF積分，即 EENNdFE概念介紹概念介紹 實(shí)驗(yàn)表明，所有物質(zhì)都具有磁性。凈磁矩是因?yàn)椴牧现械脑踊螂x子周圍存在未成對的電子，使得軌道磁矩和電子磁矩不能抵消為零，導(dǎo)致材料顯示磁性。根

9、據(jù)物質(zhì)在外磁場中受力的特性，物質(zhì)的磁性可分為鐵磁性、抗磁性、順磁性、反鐵磁性及亞磁性。 順磁性 順磁性來自于分子的固有磁矩，無外磁場時(shí)，各分子的固有磁矩雜亂排列，物理無限小體積中的分子磁矩矢量和為零，在外磁場作用下，各分子磁矩趨于轉(zhuǎn)向磁場B方向，顯示出順磁性，對溫度很敏感。 反鐵磁性 在磁性材料中，相鄰原子的磁矩大小相等且呈反平行排列，在無外加磁場時(shí)宏觀不表現(xiàn)磁性，只有在很強(qiáng)的外磁場中才表現(xiàn)出微弱的宏觀磁性。其磁化率較小，與順磁體相同，其主要區(qū)別在于它們保持自旋的有序排列。概念介紹概念介紹 鐵磁性 鐵磁質(zhì)內(nèi)存在許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，叫做磁疇，每個(gè)磁疇都有一定的磁矩，由電子自旋磁矩自發(fā)取向一致產(chǎn)

10、生，與電子的軌道運(yùn)動無關(guān)，不同磁疇內(nèi)的磁性取向是隨機(jī)排列的，因此材料整體可能并不顯示磁性，當(dāng)加外磁場時(shí)，每個(gè)磁疇的磁矩取向都程度不同地向外磁場方向靠攏，使其取向趨于一致，就說材料被磁化。 產(chǎn)生鐵磁性的必要條件：鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子中電子的自旋磁矩，與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。 圖1.3幾種磁性的此結(jié)構(gòu)及磁化強(qiáng)度、磁化率與溫度的關(guān)系示意圖電子材料發(fā)生腐蝕的因素電子材料發(fā)生腐蝕的因素總態(tài)密度N(E)是各能帶的態(tài)密度之和，總電子數(shù)N等于N(E)從負(fù)無窮道費(fèi)米能級EF積分，即 EENNdFE文獻(xiàn)講解文獻(xiàn)講解l研究背景l(fā)幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法l結(jié)果

11、與討論文獻(xiàn)講解文獻(xiàn)講解-研究背景研究背景 人們發(fā)現(xiàn)在非磁性的半導(dǎo)體材料中摻入少量3d族過度金屬或4f族過度金屬元素講獲得具有鐵磁性能的新型功能材料，被稱為稀磁半導(dǎo)體（DMS）.由于雜質(zhì)原子的引入，改變了原有半導(dǎo)體的微觀機(jī)制，使其在電、磁等方面展現(xiàn)出及其獨(dú)特的性質(zhì)，并且由于它兼有半導(dǎo)體和鐵磁性的性質(zhì)，易于將半導(dǎo)體的信息處理與磁性材料的信息存儲功能融合在一起，有望在自旋電子器件中發(fā)揮重要的作用。 近年來，具有獨(dú)特層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體MoS2由于獨(dú)特的物理性質(zhì)引起了科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，單層的MoS2在晶體管、發(fā)光二極管和太陽能電池等方面都有潛在的應(yīng)用，而其在特定的條件下是否會具有磁性并且可以作為稀磁半

12、導(dǎo)體在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用，這都是人們關(guān)注的問題。 為了解MoS2的磁性行為和摻雜對其電子和磁性的影響，本文采用基于第一性原理的自旋極化密度泛函理論分別對多讀金屬V，Gr, Mn摻雜的單層MoS2的電子結(jié)構(gòu)、磁性和穩(wěn)定性進(jìn)行了對比研究。1. 計(jì)算方法 本文基于密度泛函理論平面波贗勢方法，采用VASP軟件進(jìn)行計(jì)算。以綴加投影波方法描述了離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用。2. 模型構(gòu)建 由于MoS20001面是無極性并最穩(wěn)定的面，因此選取單層3x3x1具有27個(gè)原子的超胞為研究對象，為了防止所研究的薄膜因周期性計(jì)算方法而人為引入的相互作用，在0001表面加上14的真空層。文獻(xiàn)講解文獻(xiàn)講解-幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法

13、幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法0A圖2 優(yōu)化后單層MoS20001晶面結(jié)構(gòu)（a）俯視圖（b）側(cè)視圖文獻(xiàn)講解文獻(xiàn)講解-結(jié)果與討論結(jié)果與討論1. 晶體結(jié)構(gòu) 表一 摻雜后二維體系的晶面結(jié)構(gòu)和體系的磁矩其中d和分別表示鍵長和鍵角，X=V, Gr, Mn 。 。 。 類型類型dMo-S/dX-S/s-Mo-S/os-x-S/oMtot/?BMdope/?BMMo/?BMs/?B未摻雜MoS22.414-82.548-0000V摻雜MoS22.4122.36282.89982.8820.580.220.050Gr摻雜MoS22.4112.32482.27881.8810000Mn摻雜MoS22.4142.30882.

14、43082.1431.031.100.12-0.01電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型2. 磁性分析 電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理來解釋磁性的來源，每個(gè)s原子需要從最近的過度金屬或Mo原子上捕獲兩個(gè)額外的電子。Mo與s原子的外層電子層結(jié)構(gòu)分別為4d55s1、3s23p4，所以純的 MoS2態(tài)密度是自旋非極化的, 這說明MoS2中局域磁矩不能形成. 因此, 純MoS2薄膜不具有磁性。而V與Mn的分別為3d34s2 、3d54s2。 電子材料腐蝕的防護(hù)措施電子材料腐蝕的防護(hù)措施電子材料防腐蝕研究發(fā)展動向電子材料防腐蝕研究發(fā)展動向圖三 能帶和態(tài)密度圖 （a）未摻雜的；V摻雜的MoS2;（c）Mn摻雜的

15、MoS2電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型圖三 摻雜MoS2體系的自旋密度（a）V 摻雜的MoS2；（b）Mn摻雜的MoS2，藍(lán)色表示自旋向上，紅色表示自旋向下 給出了V和Mn摻雜體系的自旋電荷密度圖，兩種體系中磁矩都主要是局域在摻雜原子上，Mo原子也有少量貢獻(xiàn)，而S原子的自旋電荷密度幾乎為零，與表一的計(jì)算結(jié)果一致。電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型圖4 （a）(5x5x1)MoS2超胞，其中（0,1），（0,2），（0,3）表示量個(gè)V（或Mn）的摻雜位置；（b）Mn摻雜在（0,3）位置的自旋密度圖，其中Mn-Mn之間為鐵磁耦合。 圖4（b）描述了Mn-Mn在距離較

16、遠(yuǎn)的（0,3）位時(shí)，考慮它們之間具有鐵磁耦合情況下其自旋電荷密度分布，可以看出磁矩主要局域在摻雜的兩個(gè)Mn原子上，且兩個(gè)Mn都為自旋向上，表明Mn-Mn之間存在較強(qiáng)的FM耦合 。而當(dāng)考慮兩個(gè)Mn原子為反鐵磁耦合時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電荷自旋密度分布非常弱，說明（0,3）位置AFM耦合不穩(wěn)定。電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型電子材料的腐蝕特點(diǎn)和類型表 2 兩個(gè) Mn 或 V 共同摻雜 MoS2晶面的計(jì)算結(jié)果 替換位置 d/ E/meV Em/meVMn 摻雜 (0,1) 3.451 0 27.5 (0,2) 5.6 370.7 70.5 (0,3) 6.511 427.2 31.8V 摻雜 (0,1) 3.222 0 -59.4 (0,2) 5.510 81.0 -59.4 (0,3) 6.371 112.3 -35.5E：不同摻雜體系與摻雜位置在（0,1）體系相比較的能量差。E反鐵磁態(tài)與鐵磁態(tài)的能量差。 Mn摻雜的薄膜具有比較好的FM性質(zhì)，摻雜距離增大時(shí)，F(xiàn)M耦合并未很快消失，其FM相對比較穩(wěn)定。當(dāng)摻雜V時(shí)，計(jì)算三種體系的