氧空位对Fe掺杂SrTiO3电子结构的调控开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

对于载流子为媒介的铁磁性材料，铁磁性与电学导电性的载体是同种电荷，磁性质与电学性质可同时得到调控。因此，载流子为媒介的室温铁磁性，一直是研究人员孜孜以求的目标。近年来，稀磁氧化物成为研究人员寻找室温铁磁性的一类新材料。例如，gaas中掺mn可以实现铁磁性，材料为稀磁半导体，但其临界温度为160k，远远低于室温，即在常温下并不具有铁磁性。钙钛矿结构srtio₃是非磁性绝缘体，通过掺杂过渡金属等手段可能使其变成铁磁性材料。由于srtio₃具有钙钛矿结构，对掺杂引起的结构形变容忍度较高，可以通过扭转和倾斜容纳掺入的不同大小的原子。fe掺杂 srtio₃的电性质和磁性质，已经有了大量的实验研究和理论研究。这些实验与理论研究结果并不一致，有些研究结果表明材料具有很强的铁磁性，有些结果给出完全没有铁磁性。这些不同的结果可能源于不同的缺陷，其中最重要的一种即为氧空位。氧空位作为金属氧化物中的一种本征缺陷，对金属氧化物的电子结构和物理性质有很大的影响，被认为是许多非磁性金属氧化物，如hfo₂、zno、in₂o₃以及sno₂，纳米结构形成室温铁磁有序的原因。srtio₃是一个典型的钙钛铁电极氧化物，因此研究氧空位对晶体结构和电子结构的影响对于改善srtio₃性能至关重要。

研究目的：

研究不同浓度的氧空位对fe掺杂srtio₃的电子结构和磁性质的影响，阐明氧空位的影响机制，对实验结果给出理论解释。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

(1)采用第一性原理方法，优化fe掺杂的srtio₃的晶体结构，计算给出无缺陷的srti_1-xfe_xo₃的电子结构（能带结构和态密度图）。

(2)以氧空位缺陷为研究对象，在srti_1-xfe_xo₃掺杂体系中引入不同浓度的氧空位，计算给出不同氧空位浓度下的电荷密度空间分布图，并结合态密度图，分析氧空位改变srti_1-xfe_xo₃电子结构机理。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

密度泛函理论下考虑强关联效应广义梯度近似方法（gga u）

研究步骤：

(1) 建立2×2×2、 3×3×3和4×4×4的srtio₃超原胞，将一个过渡金属fe原子替位式掺杂到srtio₃中的ti位，掺杂浓度分别为12.5%、3.7%和1.56%，用vasp优化各种掺杂体系srti_1-xfe_xo₃的结构。

4. 参考文献

[1] t. dietl and h. ohno, “dilute ferromagnetic semiconductors: physics and spintronic structures”, rev. mod. phys. 86, 187 (2014).

[2] t. jungwirth, j. sinova, j. ma_sek, j. ku_cera and a. h. macdonald, “ theory of ferromagnetic (iii,mn)v semiconductors”, rev. mod. phys. 78, 809 (2006).

[3] d. h. kim, l. bi, n. m. aimon, p. jiang, g. f. dionne and c. a. ross, “the role of deposition conditions on the structure and magnetic properties of srti_1-xfe_xo₃films”, acs combinatorial science, 14, 179 (2012).

[4] h.-s. kim, l. bi, g. f. dionne and c. a. ross, “ magnetic and magneto-optical properties of fe-doped srtio₃ films”, applied physics letters, 93, 092506 (2008).

5. 计划与进度安排

(1) 2022-12-6～2022-02-19

复习固体理论和量子力学方面的有关知识；学习基本的linux命令；学习用material studio软件做晶体结构图；学习vasp软件的应用，学习如何建立输入文件，如何用vasp计算电子结构，如何从计算结果输出文件中获取需要的数据，导入origin作图。

(2) 2022-02-20～2022-03-12

搜索查询有关srtio₃、srti_1-xfe_xo₃及氧空位缺陷的理论和实验的文献资料，提出研究方案，完成开题报告，教师完成开题报告审核。