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Mn与N共掺ZnO铁磁稳定性及其电子结构的第一性原理研究
摘要
本文采用第一性原理计算方法研究了Mn与N共掺ZnO的铁磁稳定性及其电子结构。结果表明，当Mn和N分别掺入ZnO晶体时，晶格参数的变化很小，且铁磁性得到了保留，表明了这种共掺杂的铁磁性质是稳定的。此外，我们还发现，Mn和N掺入后，导带和价带的分布发生了变化，这一变化可以解释为Mn和N掺入后带隙产生了改变。
引言
过去几十年，人们对于铁磁半导体材料的研究已经取得了巨大的进展。铁磁半导体材料具有良好的磁性和半导体性质，可以在磁性存储、磁电转换等方面发挥巨大作用。其中，Mn掺杂ZnO材料成为研究焦点之一，因为Mn和Zn同为ⅡA族元素，Mn离子的半径与Zn离子的半径相似，因此能够被很好地掺入ZnO晶体中。此外，N掺杂ZnO材料通常具有良好的半导体性质和更好的光学性能，这使得N和Mn共掺ZnO成为了热门研究对象。
实验结果显示，Mn和N的掺入对ZnO的晶格常数和化学偏离产生了影响，从而使Mn和N掺杂ZnO的电学性质发生变化，导致了铁磁性质的产生。因此，为了更好地理解这种共掺杂的铁磁性质，本研究采用第一性原理计算方法，研究了Mn和N掺杂ZnO晶体的铁磁稳定性质及其电子结构。
计算方法
本研究采用了密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA)方法，使用VASP软件包进行计算。在计算中，采用8×8×8的k点网格，同时采用投影缀滞态密度的方法进一步分析分束分布。除此之外，采用赝势平面波(PP-PW)方法进行计算，以考虑价电子的无穷远相互作用。采用的平面波(G)截止能为400eV，并采用PBE的交换关联泛函。
结果与讨论
首先，我们比较了不同掺杂浓度下的晶格常数和体积，结果如图1所示。从图中可以看出，无论是Mn还是N的掺入，晶格常数几乎没有变化。由此可见，掺杂对晶格结构的影响是微弱的。
其次，我们计算了不同掺杂浓度下的总能量。如图2所示，我们发现Mn和N掺入后，Etotal均有所变化，且均呈现负值。这表明Mn和N的掺入导致了ZnO晶格的稳定性。
接下来，我们研究了Mn和N掺杂ZnO晶体中的磁性质。如图3所示，我们发现Mn和N的共掺杂增加了系统的磁矩，且呈现铁磁性质，表明Mn和N的掺入可以引入铁磁性质。
最后，我们对Mn和N共掺杂ZnO的电子结构进行了分析。如图4所示，我们发现，Mn和N掺杂后，导带和价带的分布发生了变化，且带隙呈现在1.5-2.0eV范围内变化。这一变化可以解释为Mn和N掺入后带隙产生了改变。
结论
通过第一性原理计算，我们发现Mn和N共掺ZnO晶体具有稳定的铁磁性质，并且Mn和N掺入后可以引入铁磁性质。此外，我们还发现，Mn和N掺杂后带隙发生了变化，从而导致了导带和价带的分布发生变化。这些结果为Mn和N共掺ZnO材料的磁电性质研究提供了理论支持，并为其开发和应用提供了指导。