氧化物、氮物化、磁性隧道結(jié)及DNA堿基自由基磁性的第一性原理計(jì)算研究.pdf

1、自從2000年Dietl等人預(yù)測(cè)Mn摻雜的GaN等半導(dǎo)體具有室溫鐵磁性(RTFM)以后，許多科研工作致力于研究過渡金屬摻雜的半導(dǎo)體材料的磁性。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)由于氧空位的存在，許多氧化物薄膜或納米顆粒表現(xiàn)出室溫鐵磁性(RTFM)。與此相反，第一性原理計(jì)算表明，對(duì)于HfO2，TiO2，ZnO，SnO2，ZrO2等氧化物，磁性產(chǎn)生的原因是由于陽離子空位的存在。由于人們對(duì)非摻雜氧化物的鐵磁性產(chǎn)生了越來越濃厚的興趣，d0鐵磁性已經(jīng)成為本世紀(jì)非常重

2、要的研究課題。與人們的傳統(tǒng)觀念不同，沒有d或f電子的材料也可以表現(xiàn)出鐵磁性。MgO是典型的do氧化物，理想的塊體MgO是無磁性的。目前為止，關(guān)于V0Mg空位對(duì)MgO磁性的影響，還沒有系統(tǒng)的第一性原理研究報(bào)道。利用局域密度近似(LDA)，廣義梯度近似(GGA)以及庫(kù)侖修正的局域密度近似(LDA+U)三種方法計(jì)算含有V0Mg空位的MgO磁學(xué)性質(zhì)。
　　 在氧化物，氮化物和硫化物中摻雜無磁性的s，p元素如C，N，Mg，A1等也可以在體

3、系中引入鐵磁性。這些雜質(zhì)元素可以將無磁性的化合物轉(zhuǎn)化為磁性體系，磁性出現(xiàn)的原因是C，N，O，S等原子2p電子的自旋極化。對(duì)于與MgO具有相同結(jié)構(gòu)的SrO體系，迄今為止，還沒有對(duì)同時(shí)含有中性陽離子空位及陰離子替代的SrO的磁性的從頭計(jì)算研究。通常，納米顆粒的表面存在著大量的缺陷或空位。因此，對(duì)含有中性Sr空位(V0Sr)及C/N摻雜的SrO表面的磁性進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究是十分必要的。因此，本文將用LDA+U方法計(jì)算當(dāng)含有V0Sr空位或用C/

4、N替代O，以及空位和替代同時(shí)存在時(shí)SrO(100)面的磁性。
　　 最近，ZnO由于其在光電子納米器件方面的重要應(yīng)用而被廣泛研究。密度泛函計(jì)算已證明Zn空位可以在ZnO納米薄膜和納米線中引入磁矩，磁矩來源于Zn空位周圍O原子上的未配對(duì)2p電子。Zn空位可以在ZnO納米薄膜和納米線中引入鐵磁性。然而，迄今為止，還沒有對(duì)純的ZnO納米管磁性的理論研究。在這里，用第一性原理計(jì)算ZnO(5，0)單壁納米管(SWNT)的磁性。
　　

5、 GaN是一種應(yīng)用非常廣泛的半導(dǎo)體材料。由于具有獨(dú)特的物理特性，并且是光電子學(xué)器件的基礎(chǔ)性材料，GaN在過去的幾十年中被廣泛研究。GaN有兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)：纖維鋅礦結(jié)構(gòu)(空間群P63mc)和立方結(jié)構(gòu)(空間群F4-3m，)。實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的RTFM是由于納米顆粒的表面存在缺陷，而納米顆粒的內(nèi)部仍然是抗磁性的，Ga空位可以在纖維鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN半導(dǎo)體納米顆粒中產(chǎn)生鐵磁性。立方相的GaN一般處于亞穩(wěn)態(tài)，在激光泵浦方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文

6、將用第一性原理計(jì)算當(dāng)存在中性的Ga空位(V0Ga)和中性的N空位(V0N)時(shí)，立方相GaN的(100)和(101)面的磁性。
　　 近來，以(001)取向的MgO作為勢(shì)壘(tunnel barrier)的磁性隧道結(jié)(MTJ)由于其在硬盤驅(qū)動(dòng)(HDD)讀取磁頭及磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)方面的重要應(yīng)用而引起了物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。據(jù)已有的理論研究報(bào)道，F(xiàn)e/MgO/Fe磁性隧道結(jié)的磁阻變化率可以高達(dá)1000％，實(shí)驗(yàn)上卻只達(dá)到300％

7、。人們普遍認(rèn)為，層間交換耦合(IEC)是磁性隧道結(jié)兩端鐵極間磁耦合性質(zhì)的重要度量。MgO勢(shì)壘的不完美性是影響Fe/MgO/Fe(001)MTJ性質(zhì)的重要因素。但目前還沒有對(duì)該體系界面處的中性Mg空位對(duì)體系界面磁性及層間交換耦合(IEC)的影響的細(xì)致研究報(bào)道。因此，本文用LDA+U方法計(jì)算了Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道結(jié)界面處的V0Mg空位對(duì)界面磁性和IEC的影響。
　　 電離輻射能造成DNA的直接或間接損傷。對(duì)于直接損傷

8、，能量直接被DNA吸收生成自由基及其衰落產(chǎn)物。間接損傷來自于輻射在DNA所處的環(huán)境中形成的自由基對(duì)DNA的攻擊。這些自由基主要來自于水，其中·OH是最主要的種類?！H可以和DNA堿基發(fā)生加合或脫氫反應(yīng)，生成羥基化自由基和脫氫自由基。已有許多工作致力于研究脫氫及加合反應(yīng)對(duì)DNA堿基的初級(jí)損傷。然而，目前大多數(shù)已有文獻(xiàn)報(bào)道都致力于探究DNA堿基的損傷機(jī)制及·OH自由基攻擊DNA堿基的加合及脫氫反應(yīng)可能生成的產(chǎn)物。由于強(qiáng)電離輻射導(dǎo)致·OH自

9、由基攻擊DNA堿基造成的損傷，如果不及時(shí)修復(fù)，就有可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生。因此，研究·OH自由基攻擊DNA堿基生成的產(chǎn)物的自旋極化或磁學(xué)性質(zhì)對(duì)于理解輻射對(duì)DNA的損傷是非常重要的。本文將用從頭計(jì)算研究加合反應(yīng)及脫氫反應(yīng)生成的DNA自由基的磁性。
　　 本論文的計(jì)算得到的主要結(jié)論如下：
　　 1.對(duì)于含有不同濃度的中性Mg空位(V0Ng)和O空位(V0O)的MgO的d0磁性，第一性原理計(jì)算表明，純的塊體MgO是無磁性的，V0O

10、空位不能在體系中引入磁矩，而V0Mg空位可以在體系中引入FM。所產(chǎn)生的FM不但和V0Mg空位的濃度有關(guān)，還和其在體系中的分布有關(guān)(對(duì)于特定濃度的V0Mg空位而言)。隨著V0Mg空位濃度的增大，體系的磁性也會(huì)變強(qiáng)。磁性產(chǎn)生的原因是V0Mg空位周圍O的2p電子的自旋極化。LDA+U的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)V0Mg空位濃度為6.25％時(shí)，體系呈現(xiàn)出半金屬性質(zhì)，該發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的自旋電子學(xué)領(lǐng)域有很重要的貢獻(xiàn)。本文的計(jì)算可以用來模擬MgO納米顆粒近表面區(qū)域

11、的磁性。
　　 2.對(duì)于含中性點(diǎn)缺陷及C/N摻雜時(shí)SrO(100)面的磁性，LDA+U計(jì)算表明，理想的SrO(100)面是無磁性的。V0O空位不會(huì)引入任何磁矩。V0Sr空位可以在體系中引入大磁矩，磁矩主要位于最外原子層空位周圍的O原子上。濃度為6.25％的V0Sr空位可以在體系中引入鐵磁態(tài)。用C或N替代O可以在體系中引入大磁矩，磁矩來源于C/N的2p洞。由于C/N原子的2p電子對(duì)O的2p洞具有補(bǔ)償作用，V0Sr空位及C/N摻雜共

12、存則有可能削弱體系的磁性。
　　 3.對(duì)于當(dāng)存在中性Zn空位(V0Zn)及C摻雜(替代O)時(shí)(5，0)ZnO SWNT的磁性，GGA計(jì)算表明，純的(5，0)ZnO SWNT是無磁性的，V0O空位也不能在體系中引入任何磁性。V0Zn空位可以在管中引入大磁矩，磁矩主要位于相鄰的原子環(huán)上的O原子。濃度為6.67％的V0Zn空位可以在體系中引入鐵磁性。用C原子替代O原子也可以在體系中引入大磁矩。用一對(duì)C原子替代兩個(gè)O原子可以在體系中引入

13、鐵磁性，但只能發(fā)生在特定的激發(fā)態(tài)。
　　 4.對(duì)于含中性空位的GaN(100)和(101)面的磁性，GGA計(jì)算表明，理想的Ga終端的GaN(100)和(101)面是無磁性的。N終端的GaN(100)是不存在的，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后變?yōu)镚a終端的GaN(100)面，并呈現(xiàn)出鐵磁性。V0Ga空位可以在Ga終端的GaN(100)面引入較大磁矩，這些磁矩呈鐵磁性耦合。磁矩產(chǎn)生的原因是由于空位的存在導(dǎo)致了N原子2p電子的自旋極化。在GaN(1

14、01)面，V0N空位不會(huì)帶來任何磁矩，而V0Ga空位又可能使體系呈反鐵磁態(tài)。認(rèn)為立方相GaN的室溫鐵磁性(RTFM)來源于納米顆粒表面Ga空位的存在或表面重構(gòu)形成的新表面態(tài)。
　　 5.對(duì)于Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道結(jié)界面處的V0Mg空位對(duì)界面磁性和層間交換耦合(IEC)的影響，LDA+U計(jì)算表明，由于Fe的3d電子對(duì)V0Mg空位引入的2p洞的電荷補(bǔ)償效應(yīng)，V0Mg空位并不能像在MgO納米磁料中那樣在Fe/MgO/Fe

15、(001)MTJ的界面處其周圍的O原子上引入局域性磁矩。和完美的Fe/MgO/Fe(001)MTJ不同，當(dāng)界面處存在V0Mg空位時(shí)，體系的IEC隨著MgO勢(shì)壘厚度的增加呈現(xiàn)震蕩性質(zhì)。V0Mg空位的濃度變化也會(huì)導(dǎo)致IEC呈現(xiàn)震蕩性變化，并因此會(huì)進(jìn)一步影響MTJ的隧穿磁電阻變化率。
　　 6.對(duì)于·OH攻擊DNA堿基生成的自由基的磁性，GGA計(jì)算表明，加合及脫氫反應(yīng)可導(dǎo)致堿基自由基內(nèi)化學(xué)鍵的重構(gòu)(除脫H5的胞嘧啶自由基外)。當(dāng)攻擊腺