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磁性与磁性材料杂志401（2016）656 - 661

磁性与磁性材料杂志

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三维过渡金属掺杂单层SiC薄膜的电子和磁特性

Masoud Bezi Javan N

摘要

从理论上研究了三维掺杂单层SiC薄膜的电子和磁学性质过渡金属（TM）原子。结构特性，诱导应变，电子和磁学性质研究了以Tm原子取代SiC片的碳或硅。我们发现将诱导应变引入到取代Tm原子的SiC薄片晶格结构中不同的Si（TMSI）和C（TMC）网站为TMSI结构具有较低的应变值。还TM原子可以在与TMSi的结合能不同值的SiC片的晶格取代，TMC结构为TMSI结构具有更高的结合能值。依赖于结构特性，TM掺杂SiC片显示磁性或非磁性性能。我们发现，一些结构如MnSi、CuSi和COC的配置有明显的总磁矩约3乙位。

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1. 介绍

由于石墨烯发现[ 1 ]它被认为是一种潜力纳米电子学的应用由于其独特的物理和高电子迁移率和固有的化学性质机械强度[ 2,3 ]。石墨烯，金属氧化物的启发，金属硫化物和III - V的片材也吸引了极大的兴趣由于其在电子设备中的应用[ 4 - 12 ]。因为碳化硅（SiC）化合物的独特性能，知道SiC纳米结构的性质可能是有趣的科学技术。碳化硅是碳的二元化合物硅由于其高而广泛应用于电子器件导热系数低，密度高，硬度高，机械性能高强度，低热膨胀系数，耐蚀性和大带隙[ 13 - 17 ]。碳化硅材料也用于陶瓷，金属和合金以及生物技术使用[ 18,19 ]。所以已取得的SiC纳米结构的不同形状的。作为实例戴等人[ 20 ]报道第一碳化硅纳米棒的合成碳纳米管与任一氧化硅或硅和碘蒸气。孟等人[ 21 ]还合成了beta;- Si溶胶-凝胶法纳米棒。碳化硅纳米线以铝为原料的气-液-固工艺合成作为催化剂[ 22 ]。许多报告已经证明基于其他技术的SiC纳米线的合成激光烧蚀和化学气相沉积（CVD）[ 23 - 25 ]。作为一个宽带隙（6.2 eV）的半导体，SiC有望应用光学与电子学。一些理论研究的结构和电子性质的SiC纳米带，纳米片和纳管–29 [ 26 ]。最近的一些作品一直专注于金属掺杂石墨烯的性质【30、31 ]。可以得出结论金属掺杂的石墨烯可以具有高催化活性。然而，理论工作较少被集中在纯和3D的磁特性过渡金属（Tm）掺杂SiC片。为了找到他们应用电子自旋电子学和催化性能，我们进行了我们的第一原理计算研究TM掺杂碳化硅板。在本文中，我们报告的结果，我们的第一原理计算的结构、电子和磁学性质TM掺杂SiC片（TMfrac14;Sc，Ti，V，Cr，Fe，Mn，Co，倪，铜，和Zn）。我们已经进行了我们的研究在自旋极化广义梯度近似澄清的性质和起源掺铥SiC薄膜的磁性行为。剩下的部 分本文的结构如下：在表二，我们已经描述技术细节和计算方法。细节对SiC纳米结构给出了表三我们讨论了掺杂TM成薄片的结果。最后，我们总结了我们的工作在SEC。V.

2. 详细数据

密度泛函理论（DFT）计算用原子轨道的线性组合（法）在openmx包[等]赝势方法。这个Perdew Burke Erenzerhof（PBE）[ 35 ]制定的广义梯度近似（GGA）来描述交换和相关能的价电子硅和 碳原子为2S2，P2和3s2，2。在我们的计算，我们使用了 一个4times;4times;1电池系统包括32原子。15Aring;真空是足够的隔离单SiC板坯被添加到超级电池。特殊k点生成 8times;8times;1网格基于Monkhorst-Pack方案生成。通过截至450 EV 计算的使用。弛豫过程将持续到总能量的融合是 /原子以及每个原子上的最大力小于0.02电子伏特/Aring;。

3.结果与讨论

在图1中，我们已经显示了优化结构的SiC片从侧面和顶部的意见。计算四–C键长度的片约1.78Aring;这与先前的计算[ 36 ]和[ 37 ]协议的实验报告。Mulliken负责人口分析显示显着的电荷转移有关1.019e从硅钢板的碳原子。此电荷转移的值略大于以前报道的数据计算为SiC纳米管[ 38 ]。

电子密度

图1。（a）未掺杂SiC片的顶视图和（b）侧视图模型。黄色和灰色的球分别代表Si和C原子。（a）和（b）中的虚线表示计算中使用的单元。（为了解释这个数字图例中的颜色引用，读者可以参考本文的Web版本。）图2。（a）纯SiC片的电荷密度差和（b）电子态密度。

表1结合能（EV）的TM掺杂SiC片和TM Si和tm-c在薄板的晶格结构的键长。

SiC纳米片的区别如图2所示（一）。它揭示了在碳和硅原子的周围积累的电荷密度的分布是不对称的，其中的负电荷和正电荷的分离是显着的。这种情况增加了纸张的偶极矩相比，石墨烯和吸附原子或分子结构的表面活性。这4times;4-SiC片的带隙约为3.76 eV，表明它是约大带隙半导体。这样的结果是非常接近的带隙（3.90）[ 29 ]的单层SiC纳米片与GGA近似和近似计算gw0 [ 32 ]。亲受的态密度在Si和C原子表明SiC片主要受碳原子轨道作用在导带边缘构建价带。

俯视结构

侧面结构 CoSi 结构, Eb=4.55 eV/at. CoC 结构, Eb=4.29 eV/at.

图3。两个TM取代的Si和C的共掺杂的SiC片的优化结构的侧和顶视图.

图4。在（a）Si和（b）C位上过渡金属取代后的SiC片晶格的诱导应变。

基本上从Si atomic orbitals（见图2（b））。

对于调查的Tm掺杂SiC片的电子和磁学性质，我们优化了TM（SC，Ti，V，Cr，Mn），(Sc, Ti, V, Cr, Mn,铁Co，倪，铜，锌） 取代的原子在Si和C网站的SiC片。我们已经表明，TMSI和TMC区分Si和C网站掺铥原子，分别我们还计算了所形成的结构的结合能，它可以为所考虑的结构稳定性的估计。通过构造样品的所有孤立原子的总能量之和减去系统总能量，可以得到结合能。从这个角度看，结合能的正征意味着组合体系的形成是放热的，样品具有稳定的结构的TM原子与最近邻原子的键长以及TM结合能掺杂SiC给出了表1。如图3中我们已经证明了优化的有限结构掺杂SiC片包括他们的结合能。公司结构的晶格畸变是高于对引起的应变片格增加的TMSI。诱导下的碳化硅板的晶格结构可以估算与计算的（Lminus;L 0）/ 10 L是Si或者薄片和10 C原子的键长是TM的Si–C键长度的优化纯表。由于Tm原子的掺杂引起的SiC片上的应变的变化如图4所示。它显示的是关于TMSI网站应变净值0到10%之间变化的应变负号暗示的键长收缩。随着原子序数的增长我们的抛物线近似的应变曲线形式的考察和NiSi结构的最小应变

E(eV) E(eV) E(eV) E(eV)

图6。电子态密度（DOS）的TMSI和TMC的结构.

图7。自旋的SC和V密度等值面掺杂SiC片为TMSI和TMC两种不同的配置。（为了解释此图中颜色的引用，读者可参考本文的Web版本。）

0.56%当SCSI具有与其他TMSI结构比较SiC片最紧张。在TMC结构的掺杂SiC片变化12.92和23.03%，明显高于TMSI结构应变之间的应变情况。在这些情况下，也看到了抛物线形式的应变变化与原子数的增长。在TMC结构的Ni掺杂片具有应变最小，也为Mn和Cu掺杂的应变片大致相同。在图5中我们已经描述的结合能变化的两个TMSI和TMC的结构。因为它是所示的TMSI结构的结合能比TMC的结构具有较高的稳定性的结构比TMC TMSI。在对掺杂结构最高的结合能与VSI系统约4.59 eV的结合能。虽然有小的差异之间的结合能，最终硅、铁、蒂结构和VSI在TMC的尼克结构的结合能最值约为4.32 eV /。在这方面，TiC，CRC的结合能，MNC和ZrC几乎是相同的。瓦伦西亚等人[ 39 ]报道了具有3d过渡金属原子的功能化石墨烯和单壁碳纳米管的电子和磁学性质。根据工作的TM原子的石墨烯的结合能比结合能TMSI或TMC的结构和变化0.07–1.74 eV和Ti原子之间具有较高的结合能值。同时对于Krasheninnikov等人。[ 40 ]结合能TM原子子取代石墨烯上显著低于TMSI或TMC结构。根据Krasheninnikov等人。[ 40 ]嵌入在一个单一的空缺TM原子的结合能变化为吐温0.01 -电子伏特/在0.08。类似的趋势，可以发现在其他作品，如[ 41 ]Tm掺杂SiC片的一些结构具有磁性。为了了解这种行为的原因，我们研究的电子态密度（DOS）所考虑的系统。电子态密度的TMC和TMSI结构如图6所示。在DOS图形中，费米能级已移到零。正如图中所示，由于上下自旋态的SiC片的带隙减少由于掺杂。带状态的掺杂SiC纳米片是不同的从自旋极化点我们可以看到不对称能级特别是费米能级附近的行为。上下自旋态最稳定的结构，在表2中列出的掺杂结构的带隙。根据表中给出的数据的能量差距在0.65到2.94 eV的自旋态与Tm掺杂硅取代配置之间变化。虽然我们有一个范围从0.78到2.43 eV的自旋态的带隙变化。这种行为表明，我们可以调整与TM掺杂的向上和向下自旋态的电子和自旋电子应用的碳化硅板带隙。此外，上下自旋的DOS曲线，特别是在费米能级附近的不对称性能表明掺杂的SiC片有净磁矩。关于数字的新的国家出现在SiC片的间隙区域由于掺杂这些状态的传导或价带边缘的影响。最近的研究表明，SiC纳米Si vacansies使净磁矩[ 29 ]。诱导磁矩在TM掺杂SiC纳米片系统显著的Si强杂交和C与过渡金属原子的键。在表3中，我们已经提出了总和局部磁矩的掺杂SiC片以及电荷（Q）为TM取代在Si和C网站。所有TM原子有正电荷的Sc和Zn的本地电荷高于其他TM原子在这两个考虑系统。SCSI和SCC结构的总磁矩为1times;b，但在这些结构上的SC原子的局部磁矩的安装是不同的。在SCSI结构中，Sc上的磁矩与系统总磁矩的方向相反，约为0.01。在这种结构中，C原子的感应磁矩与Si原子上的磁矩有相反的方向。对于表2中给出了一些日期，TM掺杂结构如提丝，CRSI，CRC和美国也零磁矩。而TiSi结构有一零个磁矩的TiC结构显示磁矩约2mu;B与局域磁矩约1.27mu;B在Ti原子。由于杂化后TM原子轨道的电荷群不同，可以产生局部磁用C或Si原子的片做了Ti原子我们有4s0.095自旋态，3d2.029人口而向下自旋状态的人口为4s0.055，3d0.799。可以发现，在许多从TM原子和部分从相邻的硅和碳原子的系统的总磁矩的情况下。对于每个原子的自旋排列清晰的单元中我们显示了SC和V的自旋密度等值面掺杂SiC片图7。向上和向下自旋方向在每个fi图蓝色和红色的颜色显示。对于fi图旋转控制、fi对TMSI和TMC的晶格结构有相反的行为。如在碳位点诱导VC净自旋磁矩的情况下有了方向，这是倒置逆变器结构。一般来说，同样的行为可以看出，在其他检查结构。考虑到数据在表2中我们可以看到，一些如MnSi、CuSi和COC结构有明显fi不能总磁矩约3 微B对锰硅和COC的总磁矩很大一部分是对Mn和Co原子而Cusi结构的总磁矩的局域磁矩相关根据SiC片显著的自旋极化了。在这种情况下，在Cu原子的局部磁矩约为0.245 SiC薄膜上感应磁矩的总和约为2.755微B。

4 实验研究结论

结构特性，诱导应变，电子和磁特性进行了研究的情况下，TM原子取代的碳或硅的SiC片。我们发现不同的应变诱导的SiC片的晶格结构与Si替代TM（TMSI）和C（TMC）网站为TMSI结构具有较低的应变值。TMSi结构的应变最大射程0和9%之间的Cr和Ni原子可以放在最小的应变SiC晶格。两个TMSI和TMC结构应变随着原子数的增加成抛物线变化。TM原子可以取代在不同的结合能为TMSI和TMC结构SiC片不等格为TMSI结构具有更高的结合能值。在TM原子V，Co和Ni具有较高的稳定性，由于其较高的结合能。依赖于结构特性的Tm掺杂SiC片显示磁性或非磁性的属性。我们发现一些结构如MnSi、CuSi和COC结构有明显fi不能总磁矩约3 微B对锰硅和COC的总磁矩很大一部分是对Mn和Co原子而Cusi结构的总磁矩的局域磁矩相关根据SiC片显著的自旋极化了。在这种情况下，在Cu原子的局部磁矩约为0.245 微B,SiC薄膜上感应磁矩的总和约为2.755微B。SiC作为一种优秀的微电子材料，以其禁带宽、饱和电子漂移速度大、临界雪崩击穿电场高和热导高的特点，在大功率、高频、耐高温、抗辐射器件及光电子集成器件方面具有重要的应用价值而备受重视。稀磁半导体在自旋电子器件潜在的应用，已经引起人们浓厚的研究兴趣。SiC以其比Si大的禁代宽度和高的击穿场，在电子器件应用占有一席之地。到目前为止，关于过渡金属掺杂SiC的磁性报道还很少。最近，理论上预言了Cr掺杂SiC稀磁半导体的居里温度能够超过室温。 SiC薄膜，不同Cr掺杂的SiC薄膜分别由射频磁控溅射和双离子束溅射制备。样品在N2气氛下，经过1000℃退火处理。采用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)，拉曼光谱(Raman)，扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)，X光电子能谱，紫外-可

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