腐蚀自动保存的

密度泛函理论对磁性材料的研究

-V,Gr,Mn掺杂MoS2磁性的研究学生：师林涛学号：16722220目录密度泛函理论及概念介绍文献讲解总结与展望参考文献

密度泛函理论

近似方法

密度泛函理论的主要目标是用电子密度取代波函数作为研究的基本量，是求解单电子问题的严格和精确的理论。但是实际遇到的固体材料主要是多粒子系统，因此对于多粒子系统的计算必须采用一些近似和简化方法。

绝热近似：认为离子实是瞬间固定的，可把电子的运动与离子实的运动分开处理，称为绝热近似，具体表达形式为

式中，为原子核的运动，为电子的运动，通过绝

热近似，把一个多粒子系统简化为一个多电子体系。

电子材料概论单电子近似：Hartree-Fock提出了自洽场近似，也称单电子近似，认为一个电子是在离子实和其他电子所形成的势场中运动。所导出的单电子方程，被称为Hartree-Fock方程。周期场近似：由于晶格的周期性，我们可以合理地假设所有电子及离子实产生的的场都具有晶格周期性，把固体中电子的的势能函数近似成具有晶格周期性的函数，即

其中代表正格矢。电子材料概论Hohenberg-Kohn定理

密度泛函理论的基本思想是原子、分子和固体的基态物理性质可以用粒子数密度来表示。其理论基础可用如下两个基本定理来描述。

定理一：多电子系统在外场势（Vext）作用下，其基态的电子密度与基态下任意力学量的可观测量是一一对应的，且是严格的基态电子密度泛函，这一定理说明粒子数密度函数是确定多粒子系统基态物理性质的基本变量。定理二：能量泛函

在粒子数不变的条件下对正确的粒子数密度函数取极小值，且等于基态能量。这一定理说明，如果得到了基态粒子数密度函数，就能确定能量泛函的极小值，并且这个极小值就等于基态的能量。电子材料发生腐蚀的因素Kohn-Sham方程两点假设：1、动能泛函可用已知的无相互作用的电子系统的动能函数来代替，该无相互作用电子系统与有相互作用系统具有相同的密度函数；2、用多个单电子波函数构成密度函数，即，则有

利用Kohn-Sham方程，可将多电子系统的基态特性问题转化为等效单电子问题。电子材料发生腐蚀的因素基于密度泛函理论的第一性原理计算方法

根据离子势场近似方法和基函数选取的不同，在密度泛函理论框架下可以有多种不同的计算方法，例如有原子轨道线性组合法（LCAO）、正交化平面波法(OPW)、赝势方法(PPW)、线性缀加平面波法（LAPW），在密度泛函理论内，LAPW方法是众多固体材料能带计算方法中最为有效和精确的方法之一，归纳起来，它能够给出以下有关电子态的基本物理信息：①能带结构：电子态能量和波函数；②电荷密度：总电子密度和各电子密度；③态密度；④总能量电子结构电荷密度电荷密度就是晶体中电子密度的分布，通过电荷密度就可以知道晶体中原子间的成键状态，如金属键、共价键、离子键等。为了更好地表示原子形成晶体后原子间的电荷转移和成键情况，引入差分电荷密度，即两个体系中电荷密度的差值，如Ni3Al中一个Ni被被掺杂元素替代时体系的电荷密度减去没有掺杂的Ni3Al的电荷密度，而得到差分电荷密度。通过图形可以清楚的看出由于掺杂元素的存在导致的电子分布状态的改变。能带

能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚与个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子。电子的能量状态从从处于一个电子能级变到在一个能量范围内都会存在。能带是由能级分裂而成，如图所示电子材料发生腐蚀的因素电子材料发生腐蚀的因素

电子能态密度

能态密度为能量介于E～E+△E之间的量子态数目△Z与能量差△E之比，即

图2原子能级与能带之间的关系电子材料发生腐蚀的因素总态密度N(E)是各能带的态密度之和，总电子数N等于N(E)从负无穷道费米能级EF积分，即电子材料发生腐蚀的因素总态密度N(E)是各能带的态密度之和，总电子数N等于N(E)从负无穷道费米能级EF积分，即概念介绍

实验表明，所有物质都具有磁性。净磁矩是因为材料中的原子或离子周围存在未成对的电子，使得轨道磁矩和电子磁矩不能抵消为零，导致材料显示磁性。根据物质在外磁场中受力的特性，物质的磁性可分为铁磁性、抗磁性、顺磁性、反铁磁性及亚磁性。

顺磁性

顺磁性来自于分子的固有磁矩，无外磁场时，各分子的固有磁矩杂乱排列，物理无限小体积中的分子磁矩矢量和为零，在外磁场作用下，各分子磁矩趋于转向磁场B方向，显示出顺磁性，对温度很敏感。

反铁磁性

在磁性材料中，相邻原子的磁矩大小相等且呈反平行排列，在无外加磁场时宏观不表现磁性，只有在很强的外磁场中才表现出微弱的宏观磁性。其磁化率较小，与顺磁体相同，其主要区别在于它们保持自旋的有序排列。概念介绍铁磁性

铁磁质内存在许多自发磁化的小区域，叫做磁畴，每个磁畴都有一定的磁矩，由电子自旋磁矩自发取向一致产生，与电子的轨道运动无关，不同磁畴内的磁性取向是随机排列的，因此材料整体可能并不显示磁性，当加外磁场时，每个磁畴的磁矩取向都程度不同地向外磁场方向靠拢，使其取向趋于一致，就说材料被磁化。

产生铁磁性的必要条件：铁磁质自发磁化的根源是原子中电子的自旋磁矩，与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。

图1.3几种磁性的此结构及磁化强度、磁化率与温度的关系示意图电子材料发生腐蚀的因素总态密度N(E)是各能带的态密度之和，总电子数N等于N(E)从负无穷道费米能级EF积分，即文献讲解研究背景几何结构和计算方法结果与讨论文献讲解-研究背景人们发现在非磁性的半导体材料中掺入少量3d族过度金属或4f族过度金属元素讲获得具有铁磁性能的新型功能材料，被称为稀磁半导体（DMS）.由于杂质原子的引入，改变了原有半导体的微观机制，使其在电、磁等方面展现出及其独特的性质，并且由于它兼有半导体和铁磁性的性质，易于将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起，有望在自旋电子器件中发挥重要的作用。

近年来，具有独特层状结构的半导体MoS2由于独特的物理性质引起了科学工作者的广泛关注，单层的MoS2在晶体管、发光二极管和太阳能电池等方面都有潜在的应用，而其在特定的条件下是否会具有磁性并且可以作为稀磁半导体在实际中进行应用，这都是人们关注的问题。

为了解MoS2的磁性行为和掺杂对其电子和磁性的影响，本文采用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别对多读金属V，Gr,Mn掺杂的单层MoS2的电子结构、磁性和稳定性进行了对比研究。计算方法

本文基于密度泛函理论平面波赝势方法，采用VASP软件进行计算。以缀加投影波方法描述了离子实与价电子之间的相互作用。模型构建

由于MoS2[0001]面是无极性并最稳定的面，因此选取单层3x3x1具有27个原子的超胞为研究对象，为了防止所研究的薄膜因周期性计算方法而人为引入的相互作用，在[0001]表面加上14Å的真空层。文献讲解-几何结构和计算方法图2优化后单层MoS2[0001]晶面结构（a）俯视图（b）侧视图文献讲解-结果与讨论晶体结构

表一掺杂后二维体系的晶面结构和体系的磁矩其中d和Θ分别表示键长和键角，X=V,Gr,MnÅÅÅÅ。

ÅÅÅÅ。

ÅÅÅÅ。

类型dMo-S/ÅdX-S/ÅΘs-Mo-S/oΘs-x-S/oMtot/սBMdope/սBMMo/սBMs/սB未掺杂MoS22.414------82.548------0000V掺杂MoS22.4122.36282.89982.8820.580.220.050Gr掺杂MoS22.4112.32482.27881.8810000Mn掺杂MoS22.4142.30882.43082.1431.031.100.12-0.01电子材料的腐蚀特点和类型磁性分析

电荷转移机理来解释磁性的来源，每个s原子需要从最近的过度金属或Mo原子上捕获两个额外的电子。Mo与s原子的外层电子层结构分别为4d55s1、3s23p4，所以纯的MoS2态密度是自旋非极化的,这说明MoS2中局域磁矩不能形成.因此,纯MoS2薄膜不具有磁性。而V与Mn的分别为3d34s2

、3d54s2。

电子材料腐蚀的防护措施

电子材料防腐蚀研究发展动向

图三能带和态密度图（a）未掺杂的MoS2；（b）V掺杂的MoS2;（c）Mn掺杂的MoS2电子材料的腐蚀特点和类型图三掺杂MoS2体系的自旋密度（a）V掺杂的MoS2；（b）Mn掺杂的MoS2，蓝色表示自旋向上，红色表示自旋向下给出了V和Mn掺杂体系的自旋电荷密度图，两种体系中磁矩都主要是局域在掺杂原子上，Mo原子也有少量贡献，而S原子的自旋电荷密度几乎为零，与表一的计算结果一致。电子材料的腐蚀特点和类型图4（a）(5x5x1)MoS2超胞，其中（0,1），（0,2），（0,3）表示量个V（或Mn）的掺杂位置；（b）Mn掺杂在（0,3）位置的自旋密度图，其中Mn-Mn之间为铁磁耦合。图4（b）描述了Mn-Mn在距离较远的（0,3）位时，考虑它们之间具有铁磁耦合情况下其自旋电荷密度分布，可以看出磁矩主要局域在掺杂的两个Mn原子上，且两个Mn都为自旋向上，表明Mn-Mn之间存在较强的FM耦合

。而当考虑两个Mn原子为反铁磁耦合时，发现其电荷自旋密度分布非常弱，说明（0,3）位置AFM耦合不稳定。电子材料的腐蚀特点和类型表2两个Mn或V共同掺杂MoS2晶面的计算结果

替换位置

d/Å

ΔE/meVΔEm/meVMn掺杂(0,1)3.451027.5(0,2)5.6370.770.5(0,3)6.511427.231.8V掺杂(0,1)3.2220-59.4(0,2)5.51081.0-59.4(0,3)6.371112.3-35.5ΔE：不同掺杂体系与掺杂位置在（0,1）体系相比较的能量差。ΔEm：反铁磁态与铁磁态的能量差。Mn掺杂的MoS2薄膜具有比较好的FM性质，掺杂距离增大时，FM耦合并未很快消失，其FM相对比较稳定。当掺杂V时，计算三种体系的AFM态，

AFM初始态优化之后均为非自旋化(NSP)基态,

在这种情况