一种具有磁性的晶体以及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有磁性的晶体以及制备方法和应用，所述晶体由过渡金属元素、Ga元素以及N元素构成，所述晶体通过过渡族金属取代单层GaN晶体中部分的N元素而得。所述制备方法包括以下步骤：构建纯净GaN的结构模型，优化GaN的结构模型；在优化好的纯净GaN结构模型的基础上，构建超胞，将GaN超胞结构中的N元素替换为过渡族金属元素，得到掺杂过渡金属元素的GaN；优化掺杂过渡金属元素的GaN的结构，得到具有磁性的晶体。本发明专利技术提供采用过渡族金属元素掺杂的方法，使得二维GaN获得磁性，为磁性GaN的生产设计提供了理论方法，有效的缩短了研发周期和成本。研发周期和成本。研发周期和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种具有磁性的晶体以及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米电子器件中磁性材料设计领域，尤其涉及一种具有磁性的晶体以及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在III族氮化物中，氮化镓(GaN)作为宽禁带直接带隙半导体(室温下为3.4eV)，具有介电常数小、导电性能好、击穿电压高等优点。单层GaN为间接带隙半导体，同时具备较大的半导体带隙，与传统材料制作的半导体器件相比，由GaN制作的自旋电子器件集成程度更高、体积更小、耗能更低，因此在纳米电子器件、纳米光学器件等方面有着广泛的应用。而由于单层GaN不具有磁性，如何使单层GaN具有稳定磁性并且可以在实际中进行应用，引起了人们极大的关注。
[0003]对于二维材料，通过表面功能化及掺杂的方式可以有效改变其电磁性质。虽然以往有在二维单层GaN表面通过引入杂质Cu原子可以获得磁性的例子，但是系统的研究过渡族元素掺杂单层GaN，形成一套高效率、低成本的设计方法，以及如何选用合适过渡金属添加尚不清楚。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种效率高、成本低的具有磁性的晶体；本专利技术的另一目的是提供一种具有磁性的晶体的制备方法；本专利技术的另一目的是提供一种具有磁性的晶体的应用。
[0005]技术方案：本专利技术的一种具有磁性的晶体，所述晶体由过渡金属元素、Ga元素以及N元素构成，所述晶体通过过渡族金属取代单层GaN晶体中部分的N元素而得。
[0006]优选的，所述过渡金属为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn中一种。
[0007]优选的，按元素成分百分比，所述晶体中过度元素为3.125％。
[0008]优选的，单层GaN晶体具有具有六角蜂窝状结构。
[0009]另一方面，本专利技术提供一种上述的具有磁性的晶体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010]S1、构建纯净GaN的结构模型，优化GaN的结构模型；
[0011]S2、在优化好的纯净GaN结构模型的基础上，构建超胞；选择一种过渡金属元素，将上述过渡金属元素取代GaN超胞结构中的N元素，得到掺杂过渡金属元素的GaN；优化掺杂过渡金属元素的GaN的结构，得到具有磁性的晶体。
[0012]作为上述方案的进一步改进，所述优化GaN的结构模型中，对纯净GaN结构进行晶格常数优化，得到初始稳定晶格常数。
[0013]作为上述方案的更进一步改进，对每个结构进行晶格常数优化的方法为：持续优化原子结构，直到每个原子上所受的最大力小于时，原子结构优化停止。
[0014]作为上述方案的进一步改进，所述制备方法具体包括以下步骤：
[0015]S1.超胞模型的建立：使用建模软件构建纯净二维单层GaN结构并优化；
[0016]S2.过渡族金属元素掺杂GaN构型的建立：选择N种过渡金属元素，分别构建掺杂单一过渡族金属元素的GaN结构，获得N种掺杂晶体，记为掺杂体系；
[0017]S3.计算掺杂体系的电子性质和磁性性质；比较掺杂体系与纯净非磁GaN体系的电子性质和磁性性质，筛选出具有磁性性质的GaN掺杂体系或确定最佳掺杂元素。
[0018]具体的，步骤S3中，通过模拟计算与分析筛选出具有磁性性质的GaN掺杂体系或确定最佳掺杂元素：
[0019]分析所述具有磁性的晶体的键长变化；
[0020]计算所述具有磁性的晶体的缺陷结合能，借助能量稳定性判据分析比较所述具有磁性的晶体的稳定性；计算单个掺杂原子的磁矩和GaN掺杂过渡族金属后的总磁矩；
[0021]获得掺杂体系的自旋电荷密度图，分析体系磁矩的来源；
[0022]计算过渡族金属元素掺杂GaN构型的电子性质，提取能带的相关数据；根据获得的能带数据，得到掺杂体系的能带图，分析掺杂体系的电子性质；
[0023]根据以上计算数据，确定最佳掺杂元素。
[0024]优选的，所述缺陷结合能由以下公式计算所得：
[0025]E
b
＝E
GaN
+E
atom
‑
E
total
[0026]其中E
b
表示结合能，E
GaN
表示含有一个空位的GaN的结合能，E
atom
表示单个掺杂原子的能量，E
total
表示掺杂体系的总能量。
[0027]另一方面，本专利技术提供一种具有磁性的晶体在制备纳米电子器件中的应用。
[0028]本专利技术首先通过建模软件构建六方晶系的二维GaN模型，运用VASP软件对GaN进行结构优化和电子性质计算；其次对优化后的GaN进行4
×4×
1扩胞处理，再通过建模软件构建过渡金属元素Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn掺杂二维GaN的模型，运用VASP软件对掺杂体系进行结构优化，并计算掺杂体系的电子性质和磁性性质；最后与纯净非磁GaN体系对比，筛选出具有磁性性质的GaN掺杂体系；本专利技术提供采用过渡族金属元素掺杂的方法，使得二维GaN获得磁性，为磁性GaN的生产设计提供了理论方法，有效的缩短了研发周期和成本。
[0029]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：本专利技术基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，利用VASP软件进行计算，研究了过渡族金属掺杂单层GaN的电子性能和磁性性能，对二维GaN材料在自旋电器件的应用方面提供理论指导。本专利技术使用计算机即可快速完成过渡金属元素筛选，降低时间和材料成本。
附图说明
[0030]图1是单层GaN晶体结构图和能带图及GaN掺杂体系的晶体结构图；其中(a)为单层GaN晶体结构图；(b)为单层GaN能带结构(费米能级设置为0)；(c)为典型GaN掺杂体系的晶体结构图；
[0031]图2是过渡族金属原子掺杂单层GaN体系的自旋电荷图(自旋电荷图的等值面为)，；
[0032]图3是过渡族金属元素掺杂GaN体系的能带结构：(a)Sc；(b)Ti；(c)V；(d)Cr；(e)Mn；(f)Fe；(g)Co；(h)Ni；(i)Cu；(j)Zn掺杂体系。。
具体实施方式
[0033]以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。
[0034]本专利技术实施例提供一种具有磁性晶体的模拟制备方法，所述的方法：首先通过建模软件构建纯净GaN的结构模型，通过VASP软件优化GaN的结构模型并计算其电子性质和磁性性质；其次，在优化好的纯净GaN结构模型的基础上，通过建模软件构建超胞，将GaN超胞结构中的N元素替换为过渡族金属元素，运用VASP软件对掺杂体系进行结构优化；再次，将VASP软件的输出文件CONTCAR命名为POSCAR，用于静态计算；接着，将静态计算步骤中得到的CHG、CHGCAR、WAVECAR、POSCAR文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有磁性的晶体，其特征在于，所述晶体由过渡金属元素、Ga元素以及N元素构成，所述晶体通过过渡族金属取代单层GaN晶体中部分的N元素而得。2.根据权利要求1所述的具有磁性的晶体，其特征在于，所述过渡金属为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn中一种。3.根据权利要求1所述的具有磁性的晶体，其特征在于，按元素成分百分比，所述晶体中过渡元素为3.125％。4.根据权利要求1所述的具有磁性的晶体，其特征在于，单层GaN晶体具有六角蜂窝状结构。5.一种根据权利要求1
‑
4任一所述的具有磁性的晶体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1、构建纯净GaN的结构模型，优化GaN的结构模型；S2、在优化好的纯净GaN结构模型的基础上，构建超胞；选择一种过渡金属元素，将上述过渡金属元素取代GaN超胞结构中的N元素，得到掺杂过渡金属元素的GaN；优化掺杂过渡金属元素的GaN的结构，得到具有磁性的晶体。6.根据权利要求5所述的具有磁性的晶体的制备方法，其特征在于，所述优化GaN的结构模型中，对每个结构进行晶格常数优化，得到初始稳定晶格常数。7.根据权利要求6所述的具有磁性的晶体的制备方法，其特征在于，对每个结构进行晶格常数优化的方法为：持续优化晶格常数，直到每个原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆义，章世豪，左立杰，贺毅强，丁云飞，于金，
申请(专利权)人：江苏海洋大学，
类型：发明
国别省市：