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    1. MedeA案例二十四:在碳化材料中的應用氫輻射SiC磁性研究

      2017-03-14 17:13:09 來源:源資科技市場部

      新聞摘要:目前,磁性材料不僅局限于含Fe和Co原子的材料,在很多存在缺陷的氧化物、氮化物、碳化物中也觀察到了磁性。SiC在聚變和裂變反應堆中是一種很有前景的材料。SiC被氫輻射之后會產生不同類型的缺陷,簡單的缺陷包括Si、C空穴,Si和C間隙,Si和C反向位點等。研究發現,用H持續輻射SiC,SiC中缺陷數目會隨之增加,其中一些缺陷是磁性缺陷。缺陷的相互作用是復雜的,它們之間的相互作用可能會改變缺陷特征。此篇文獻由MedeA客戶北京師范大學的程偉老師發表,在本案例中,作者通過第一性原理,采用MedeA-VASP模塊


      1.研究背景
            目前,磁性材料不僅局限于含Fe和Co原子的材料,在很多存在缺陷的氧化物、氮化物、碳化物中也觀察到了磁性。SiC在聚變和裂變反應堆中是一種很有前景的材料。SiC被氫輻射之后會產生不同類型的缺陷,簡單的缺陷包括Si、C空穴,Si和C間隙,Si和C反向位點等。研究發現,用H持續輻射SiC,SiC中缺陷數目會隨之增加,其中一些缺陷是磁性缺陷。缺陷的相互作用是復雜的,它們之間的相互作用可能會改變缺陷特征。此篇文獻由MedeA客戶北京師范大學的程偉老師發表,在本案例中,作者通過第一性原理,采用MedeA-VASP模塊系統地研究了SiC含不同氫誘導缺陷體系的磁性。


      2.建模與計算方法
            作者通過Welcome to MedeA Bundle中InfoMaticA搜索了SiC結構,然后采用Supercell Builder創建了SiC超晶胞,隨后創建了不同類型H插入的SiC結構。接著,作者采用MedeA-VASP模塊對不同體系進行了幾何結構及電子結構的計算(GGA泛函,460 eV截斷能)。


      3.結果與討論
      3.1幾何性質
            作者采用MedeA-VASP模塊對SiC進行結構優化。圖1,H原子在SiC晶胞A、B、D三處插入。對于單個H原子的插入結構經過優化后,,C和Si原子向相反方向移動,一個C-Si鍵斷開,形成一個C-H鍵,這種氫誘導缺陷結構最穩定。圖1(b)-(f)結構均在Si96C96中插入一個H2分子,圖1(b)-(d)經過優化后,這三種結構均沒有磁性。圖1(e)和(f)這兩種結構均有磁性。

       



      圖1  SiC中H誘導缺陷模型。(a)黑球代表C原子,黃球代表Si原子,紅球A、B、D代表H原子可能插入的位置;兩個H原子距離分別是0.0762 nm (b), 0.276 nm (c), 0.352 nm (d), 0.930 nm (e)及1.238 nm (f)。


      3.2電子結構
            作者采用MedeA-VASP計算了H插入到SiC不同位置結構的態密度(DOS)和能帶結構,如圖2。圖2 (a)為HSi48C48能帶結構,沒有考慮自旋極化,結果發現雜質能帶處于導帶最低處下方約0.2 eV。圖2 (b)為考慮自旋極化的HSi48C48能帶結構,雜質能帶分裂成兩個能級,一個位于費米能級下方,一個位于上方。計算結果表明孤立H缺陷是一個磁性缺陷,磁距為1μB。隨后作者又計算了HSi48C48的DOS,見圖2(c),費米能級處的最高峰可以解釋磁性的來源。

       


      圖2  SiC中有1個H誘導缺陷結構:(a)未考慮自旋極化的能帶結構,(b) 考慮自旋極化的能帶結構,(c) DOS圖。

        作者又研究了SiC中含1個H誘導缺陷的電荷密度,圖3給出了此體系的自旋密度圖。自旋電荷密度主要局域在缺陷周圍,直徑約是0.930 nm。作者發現如果2個H誘導缺陷距離在0.930 nm之內,它們的自旋電子將會重疊并相互作用。

       


      圖3  SiC中含一個H誘導缺陷結構的自旋密度圖(0.008 eV/A3)。每個缺陷周圍等值面直徑約是0.930 nm。Si原子是藍色,C原子是棕色,H原子是灰色。

        圖4(a)為考慮自旋極化后的H2Si96C96能帶結構,與圖2(b)相似,這說明2個H缺陷和1個H缺陷對SiC的影響不大。圖中顯示自旋向上和自旋向下缺陷狀態相同,磁距抵消。圖4(b),H2Si96C96(2個H間隔1.238 nm)有4個能帶:2個處于費米能級下方,另外2個位于上方。此結構有磁性,磁距為2μB。研究發現,2個H缺陷(距離為1.238 nm)之間的相互作用很弱。

       


      圖4  含2個H誘導缺陷SiC能帶結構,(a) 2個H距離最近 (b) 2個H距離最遠。


      4.總結與展望
            本案例中,作者利用MedeA-VASP模塊,研究了SiC不同H誘導缺陷的幾何性質和電子性質。研究發現,SiC中兩個H原子距離大于0.930 nm,磁距可能會出現。在0.930 nm分界處,含兩個H缺陷的SiC結構是相對穩定的。本案例的工作有助于我們更好的理解SiC的性質,為我們日后對碳化物材料深層次研究做出了莫大貢獻。


      參考文獻:
      Wei Cheng, Min-Ju Ying, Feng-Shou Zhang, Hong-Yu Zhou. Magnetism of hydrogen-irradiated silicon carbide. Physics Letters A.378 (2014) 1897-1902.


      使用MedeA模塊: 
      Welcome to MedeA Bundle
      MedeA-VASP

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