1. 研究目的与意义
载流子为媒介的室温铁磁性，是材料研究人员孜孜以求的目标。然而，该目标并不容易获得。在GaAs中掺Mn可以获得临界温度为160K的室温铁磁性[1,2]。该转变温度仍然低于室温。最近，研究人员发现，稀磁半导体氧化物可能是获得高临界温度的理想材料。尽管它们比III-V族半导体复杂，但钙钛矿结构氧化物具有铁电、反铁磁、高温超导等各种丰富的性质。SrTiO3在低温下有铁电、压电以及透明性，可通过施加应变或掺杂对其性质进行调控。掺杂SrTiO3已经广泛应用于光学器件及电子器件。基于SrTiO3进行掺杂特别有意义，因为该掺杂化合物可以很容易在基片MgO, LaAlO3 and Si上面生长。其中Fe掺杂的SrTiO3最有希望得到室温铁磁性，引起研究人员的大量研究[3-10]。但是，大量实验研究关于其中Fe的价态结果并不一致。M. Vracar等人通过振动样品谱结合X射线吸收谱（XAS）表明，在掺杂浓度为0.03 x 1[7]的范围内，脉冲激光沉积（PLD）方法生长的SrTi1-xFexO3中Fe的价态为 3和 4价态共存，而Koehl等人通过XAS发现（PLD）方法生长的SrTi1-xFexO3中Fe的价态为 2和 3价态共存[11]。本项目的指导老师马春兰老师与其合作者[12]通过分子束外延技术生长Fe掺杂的SrTiO3，并通过XPS测得Fe的价态为 3价，并通过基于密度泛函理论的第一性原理方法研究发现，之所以MBE生长的样品中Fe为 3价，是由于有氧空位。如果SrTi1-xFexO3中含有一定浓度的氧空位（SrTi1-xFexO3-δ）（x=1/8, δ=1/16），那么价态变成 3价。如果没有额外的杂质如氧空位等，掺杂到SrTiO3中的Fe应该具有 4价态，并且通过态密度及磁矩分析，发现SrTi1-xFexO3具有铁磁性，并且该铁磁性是以载流子为媒介的。由于载流子为媒介的铁磁性表明该材料的铁磁性与电学导电性是由同种电荷作为载体的，因而电学性质与磁性性质可以同时得到广泛调控。过渡金属掺杂的稀磁氧化物中，长程有序的磁性来源于过渡金属与相邻的氧原子形成的3d-2p短程共价局域分子。由于在稀磁氧化物中，杂质原子之间的距离非常远（即3d-2p形成的局域分子之间的距离非常远），因此不利于得到长程磁有序。本项目拟研究Si基片对Fe掺杂SrTiO3性质的影响，由于Si基片及缓冲层可以使掺杂氧化物受应变效应，因而可以使得简并的eg轨道或t2g轨道能级进一步劈裂，出现磁弹效应，利于得到长程有序的磁性。本项目将为在Si基片上制备金属铁磁氧化物提供理论依据，因而具有十分重要的理论意义和巨大的应用潜力。
2. 研究内容和预期目标
主要的研究内容：
（1） 研究无基片的过渡金属掺杂srtio3的性质。将一个过渡金属fe原子掺杂到2*2*2, 3*3*3和4*4*4的srtio3超原胞中，掺杂浓度分别为12.5%，3.7%，为1.56%，用gga u方法，对掺杂体系进行弛豫，计算态密度、能带结构，分析过渡金属杂质的价态，研究是否可以得到室温金属铁磁性。
（2） 研究在si基片上生长的fe掺杂钛酸锶的电子结构、磁学性质和光学性质。
（3） 研究sr格点上用la替位式掺杂或氧空位掺杂情形下，掺杂体系性质的变化。改变氧空位的浓度和位置，研究氧空位对si基掺杂体系的结构稳定性的作用，理论预测金属铁磁氧化物的最佳制备条件。
3. 研究的方法与步骤
拟采用的研究方法是基于密度泛函理论的第一性原理方法。用的程序包是vasp。
研究步骤是：
[1].构建srtio3的3*3*3超原胞，用过渡金属fe替位式掺杂替代中心位置的ti，模拟掺杂浓度为3.7%的过渡金属掺杂钛酸锶。用gga u方法对构建的掺杂体系进行优化，用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算掺杂体系的电子性质、磁性质和光学性质。
4. 参考文献
[1]e. o. wollan and w. c. koehler, phys. rev. 100, 545(1955).
[2] m. c. payne, m. p. teter, d. c. allan, t. a. arias, and j. d.joannopoulos，rev. mod. phys.64, 1045（1992）
[3] john p. perdew, kieron burke and matthias ernzerhof, phys. rev. lett. 77, 3865(1996).
5. 计划与进度安排
(1) 第七学期1418周: 学生网上选题，根据学生选题情况作适当调整。选题结束，指导老师向学生下达任务，学生根据要求收集资料。
(2) 1920周：指导教师完成毕业论文任务书的填写。
(3) 第八学期1周2022年3月2日-3月6日：毕业论文工作动员，组织指导老师和青年教师进行交流、培训。
(4) 12周2022年3月2日-3月13日：指导教师向学生讲授所选论题的状况和要求等。
