ZnO基稀磁半导体材料的第一性原理研究的任务书.docx

ZnO基稀磁半导体材料的第一性原理研究的任务书
任务书
题目：ZnO基稀磁半导体材料的第一性原理研究
背景：
在过去的几十年中，半导体技术得到了广泛的应用，从电子设备到光电器件，从计算机到通信工具等方方面面都需要半导体技术。随着智能化的不断发展和人们对能源、环境、健康等方面问题的关注，磁性半导体材料在信息技术、能源技术、生命科学等方面的应用也日益受到重视。ZnO作为Wurtzite结构具有优异的光学电学性质，而其被掺杂磁性离子后极易产生稀磁性质。如何从理论角度研究这种ZnO基稀磁半导体材料的特性及其产生原因，对于其实际应用具有重要的指导意义。
研究目的：
本研究旨在通过第一性原理计算，探究ZnO材料掺杂Fe等磁性材料后产生稀磁性质的内在机理，以及该类材料在能带结构、磁学性质等方面的变化规律，为进一步设计和制造性能优异的磁性半导体材料提供理论指导。
研究内容：
1.采用基于密度泛函理论的计算方法，对ZnO基稀磁半导体材料的电子结构、磁学性质等进行第一性原理计算，并与实验结果进行对比分析；
2.研究ZnO材料掺杂Fe等磁性材料后的能带结构变化，分析其导致稀磁性质产生的原因；
3.研究ZnO材料的磁学性质，如磁矩、磁各向异性等，以及和掺杂浓度等参数的相关性；
4.研究磁性掺杂对ZnO材料的光学电学性质的影响，如漂移和扩散长度，光吸收和荧光发射等；
5.探究ZnO基稀磁半导体材料在磁性存储、生物医学、能源等方面的潜在应用。
研究方法：
1.采用基于密度泛函理论的VASP软件进行第一性原理计算；
2.采用Wien2k软件进行结构优化和光电性质计算；
3.使用多种软件包（如QuantumESPRESSO等）对结果进行验证。
研究意义：
1.深入理解ZnO基稀磁半导体材料的特性及其产生原因，为设计和制造性能优异的磁性半导体材料提供理论指导；
2.为探究磁性半导体材料从稀磁半导体到半金属甚至金属电导转变过程的机理提供理论支撑；
3.有助于开发新型自旋电子学器件及其与光电器件的集成；
4.为磁性存储、生物医学、能源等方面的应用提供理论基础和技术支撑。
研究进度：
1.前期工作及材料准备：1个月
2.计算方法优化与结果验证：2个月
3.ZnO基稀磁半导体材料的计算研究：6个月
4.研究结论总结及文章撰写：2个月
预计成果：
1.发表多篇SCI论文；
2.有望掌握第一性原理计算方法及相关技术；
3.有望解决ZnO基稀磁半导体材料的稀磁性质及其产生机理等热点问题；
4.培养优秀的科学研究人才。
预计经费：
约需要100万元左右。具体经费预算详见附件。
参考文献：
1.JohnWang，Storrs，M.Chu，etal.High-temperatureferromagnetisminMn-dopedZnO[J].AppliedPhysicsLetters，2003(83):1103-1105.
2.A.Burchard，P,H.J.Errmann，etal.DopingZnOwithtransitionmetals[J].MatSciEng：B，2001(85):87.
3.S.Mohammadi，etal.ComputationalinvestigationsofdopedZnOwithtransitionmetals[J].PhysicaB:CondensedMatter，2016(501):164-171.
4.N.S.Dhaded,C.L.Park,S.M.Parker,etal.Developmentofp-typeGaNandZnOsemiconductingmaterials[J].MaterialsScienceandEngineering：R，2005(47):1-47.