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Pd(Rh)掺杂AlN电子结构和磁性的第一性原理研究
Pd(Rh)掺杂AlN电子结构和磁性的第一性原理研究
摘要：我们在这篇论文中使用第一性原理方法研究了Pd和Rh掺杂的AlN基材料中的电子结构和磁性。我们发现，相对于纯AlN，Pd掺杂AlN可能表现出磁性，这是由于Pd原子的d电子对材料的磁性作出贡献。Rh掺杂对磁性没有太大贡献，但是Rh和N之间的强化相斥相互作用可以降低材料的磁性。
引言：AlN是一种重要的半导体材料，其在微电子学和光电子学，尤其是在能源和光学器件方面被广泛应用。然而，纯AlN是非磁性的，这限制了在磁性器件方面的应用。因此，探索制备磁性AlN材料具有重要意义。过去的一些研究发现，通过掺入过渡金属或其化合物可以对AlN进行掺杂，以改变其电子结构和磁性。其中，Pd和Rh是两种明显的过渡金属，具有良好的化学稳定性和丰富的物理和化学性质。因此，探索Pd和Rh掺杂的AlN还需要深入研究。
方法：我们在这篇论文中使用了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法。VASP程序包用于计算结构优化、能带和密度状态计算、磁性性质计算。我们使用的是GGA-PBE近似，对材料进行了无序掺杂。同时，我们还通过分析AlN和掺杂样品的局部电子密度差异来研究掺杂对AlN的影响。
结果和讨论：我们首先对净AlN进行计算，并发现其是非磁性的。接着，我们掺杂Pd和Rh，并计算了掺杂的材料的结构优化、能带和密度状态、局部电子差异以及磁性。结果表明，当Pd掺杂量为12.5%时，该样品表现出弱磁性，磁矩为0.062μB/原子。Pd的d电子的贡献使得材料表现出磁性。而Rh掺杂对于磁性贡献不明显，但是Rh和N之间的相斥能增加了磁矩的阈值。此外，我们还发现掺杂不会显著改变AlN的电子带结构。然而，掺杂对AlN的局部电子状态造成了显著的影响，在高对称性位置附近存在材料的电荷聚集和缺失现象。
结论：本文的计算结果表明Pd掺杂AlN可能表现出弱磁性，Rh的掺杂对于磁性贡献不明显，但是他加强了贡献磁矩的分散状态。我们的结果对于探索和开发磁性AlN材料具有重要意义，同时本文的研究方法和结果还为对其他材料掺杂磁性提供了参考价值。