Co摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)

謝建明， 陳紅霞

（鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城 224002）

Co摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)

謝建明， 陳紅霞

（鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城 224002）

采用第一性原理密度泛函理論系統(tǒng)地研究Co原子單摻雜和雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì).考慮三種摻雜方式：替代摻雜，外摻雜和內(nèi)摻雜.首先比較各種摻雜團(tuán)簇的穩(wěn)定性.結(jié)果表明，不管是單摻雜還是雙摻雜，外摻雜團(tuán)簇都是最穩(wěn)定結(jié)構(gòu).在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)摻雜的（ZnO）12團(tuán)簇進(jìn)行磁性計(jì)算.發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇磁矩主要來(lái)自Co-3d態(tài)的貢獻(xiàn)，4s和4p態(tài)也貢獻(xiàn)了一小部分磁矩.由于軌道雜化，相鄰的Zn和O原子也產(chǎn)生少量自旋.Co原子之間的磁性耦合由直接的Co-Co反鐵磁耦合和Co和O原子之間通過(guò)p-d雜化產(chǎn)生的鐵磁耦合這兩種相互作用的競(jìng)爭(zhēng)決定.研究發(fā)現(xiàn)外雙摻雜團(tuán)簇存在鐵磁耦合，在納米量子器件有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

稀磁半導(dǎo)體；團(tuán)簇；密度泛函理論

0 引言

ZnO是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 meV，具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)［1］.鐵磁性的Mn摻雜GaAs的居里溫度可以達(dá)到150 K，大大激起了人們對(duì)稀磁半導(dǎo)體的研究興趣［2］.考慮到稀磁半導(dǎo)體的商業(yè)化應(yīng)用，則需要將居里溫度提高到室溫以上.理論表明，寬帶隙半導(dǎo)體如ZnO由于其禁帶較寬而可能具有較高的居里溫度［3］.

Co摻雜ZnO在ZnO基磁性半導(dǎo)體中是最受研究者關(guān)注的體系，也是目前為止ZnO基磁性半導(dǎo)體中研究結(jié)果報(bào)道最多的體系.Miyazaki等人利用脈沖激光沉積方法制備了具有室溫鐵磁性的Co摻雜的ZnO薄膜［4］.隨后一些研究小組報(bào)道了Co摻雜的ZnO薄膜的居里溫度高于室溫的結(jié)果［5－8］.然而也有研究小組在Co摻雜的ZnO樣品中觀測(cè)到的磁有序溫度卻很低，甚至觀測(cè)不到鐵磁性.這些具有爭(zhēng)議性的結(jié)果說(shuō)明稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性與制備方法及制備條件有關(guān)［9－11］.關(guān)于過(guò)渡金屬摻雜ZnO磁性的理論研究也開(kāi)展了很多，但主要集中在體材料和納米線方面［12－18］.關(guān)于團(tuán)簇研究主要集中在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面［19－20］，摻雜團(tuán)簇的研究相對(duì)較少.在ZnO小團(tuán)簇中，（ZnO）12團(tuán)簇具有較高穩(wěn)定性和對(duì)稱性，是一個(gè)幻數(shù)團(tuán)簇，可以作為研究過(guò)渡金屬原子摻雜的首選結(jié)構(gòu).Liu等人研究了Mn摻雜（ZnO）12團(tuán)簇，發(fā)現(xiàn)Mn原子趨于形成團(tuán)簇，并且磁性耦合是短程的反鐵磁耦合［21］.但是還沒(méi)有關(guān)于Co摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的理論研究.

1 理論和計(jì)算方法

我們的計(jì)算采用Dmol軟件包中自旋極化的密度泛函理論［22－23］，選擇全電子和DND基矢.DIIS方法被用來(lái)加速自旋極化自洽場(chǎng)收斂.還采用熱拖尾來(lái)加速這一收斂過(guò)程.為了準(zhǔn)確計(jì)算，選擇八重計(jì)劃對(duì)電荷密度和庫(kù)侖勢(shì)進(jìn)行多極展開(kāi).交換關(guān)聯(lián)勢(shì)選擇GGA／PBE［24］.自洽場(chǎng)計(jì)算時(shí)，總能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10－6Ha，力的收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.002 Ha·?－1，位置移動(dòng)收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.005 ?.用Mulliken布局來(lái)分析原子磁矩［25］.

對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，考慮所有可能的自旋.為了檢驗(yàn)團(tuán)簇的穩(wěn)定性，對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)譜分析.眾所周知，對(duì)于團(tuán)簇，電子軌道磁矩被淬滅，只有自旋磁矩［26］.

PBE／DND的準(zhǔn)確性在前面關(guān)于ZnS團(tuán)簇穩(wěn)定性以及納米管摻雜磁性的研究中已經(jīng)得到檢驗(yàn)［27－28］.因此，相信我們的計(jì)算方案對(duì)描述Co原子摻雜（ZnO）12團(tuán)簇是可信的.

團(tuán)簇的熱力學(xué)穩(wěn)定性可以通過(guò)束縛能來(lái)確定.束縛能定義為團(tuán)簇的總能量減去所有孤立原子的能量之和，再除以總原子數(shù).為了便于比較，同時(shí)還列出了相對(duì)Co體材料的束縛能.此外，為了便于比較不同組分團(tuán)簇的相對(duì)穩(wěn)定性，引入了分裂能的概念.對(duì)于一個(gè)分裂過(guò)程A→B＋C，分裂能定義為B和C的總能量減去A的總能量.

2 結(jié)果和討論

2.1 純（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)

首先研究純（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì).空心籠狀的（ZnO）12團(tuán)簇是Th對(duì)稱.它包含六個(gè)四原子環(huán)和八個(gè)六原子環(huán)，只存在兩種不同鍵長(zhǎng)的Zn—O鍵.四原子環(huán)中的Zn—O鍵鍵長(zhǎng)為1.987 ?，而六原子環(huán)中的Zn—O鍵鍵長(zhǎng)為1.890 ?.純（ZnO）12團(tuán)簇的HOMO-LUMO能隙為2.60 eV，顯示了半導(dǎo)體特性.自旋極化計(jì)算表明純（ZnO）12團(tuán)簇沒(méi)有磁性.

2.2 單摻雜（ZnO）12團(tuán)簇

2.2.1 幾何結(jié)構(gòu)

考慮三種摻雜方式替代摻雜、內(nèi)摻雜和外摻雜.共構(gòu)建了五個(gè)團(tuán)簇構(gòu)型.（a）A1：一個(gè)Co原子替代一個(gè)Zn原子；（b）A2內(nèi)摻雜：一個(gè)Co原子占據(jù)（ZnO）12團(tuán)簇的中心；（c）A3：一個(gè)Co原子被放在四原子環(huán)的中心，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，Co原子占據(jù)了原來(lái)Zn原子的位置，并將原來(lái)的Zn原子推向外圍；（d）A4：一個(gè)Co原子跨過(guò)連接兩個(gè)四原子環(huán)的Zn—O鍵；（e）A5：一個(gè)Co原子跨過(guò)連接兩個(gè)六原子環(huán)的Zn—O鍵.圖1畫(huà)出了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖.由于摻雜進(jìn)Co原子，純團(tuán)簇的某些鍵發(fā)生了斷裂，各原子間重新成鍵.替代摻雜團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和純團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)最為相似，其中Co—O鍵鍵長(zhǎng)比Zn—O鍵鍵長(zhǎng)縮短了0.03 ?.

2.2.2 能量穩(wěn)定性

為了比較團(tuán)簇的穩(wěn)定性，計(jì)算了五種摻雜團(tuán)簇的束縛能，HOMO-LUMO能隙和分裂能.結(jié)果列在表1中.對(duì)于具有相同的化學(xué)組分的A2到A5結(jié)構(gòu)，最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為A3，表明外摻雜構(gòu)型比內(nèi)摻雜構(gòu)型更穩(wěn)定.這與Mn摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)果相似［21］.發(fā)現(xiàn)所有Co摻雜團(tuán)簇的HOMO-LUMO能隙都小于純（ZnO）12團(tuán)簇的值（2.60 eV）.

表1 各種單摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的束縛能（Eb，），HOMO-LUMO能隙（Gap），分裂能（ΔE1，ΔE2），團(tuán)簇的總磁矩（μtot），Co原子磁矩（μCo）以及相鄰Zn原子和O原子的磁矩（μZn，μO）Table 1 Binding energy（Eb，in eV·atom－1），HOMO-LUMO gap（Gap，in eV），and fragmentation energies （ΔE1and ΔE2，in eV）of various monodoped（ZnO）12clusters.Total magnetic moment（μtot，in μB），magnetic moment（μCo，in μB）of Co atom and bonding Zn，O atoms（μZnand μO，in μB）in clusters

EbE′bGapΔE1ΔE2μZnμOμCo 4s4p3dtotal μtot A1－3.368－3.1840.991.790.000.390.020.062.482.563 A2－3.213－3.0370.471.29－0.500.550.040.450.041.922.423 A3－3.252－3.0751.332.260.470.100.260.110.102.392.603 A4－3.237－3.1881.041.880.090.090.200.210.112.362.673 A5－3.236－3.1871.121.860.07－0.14－0.06－0.01－0.011.271.251

為了能夠比較不同化學(xué)組分的團(tuán)簇的相對(duì)穩(wěn)定性，通過(guò)兩種方法計(jì)算了摻雜團(tuán)簇的分裂能.一種是“Co摻雜團(tuán)簇→（ZnO）12團(tuán)簇＋一個(gè)孤立的Co原子”，團(tuán)簇的分裂能用ΔE1表示.對(duì)于替代摻雜，Co摻雜團(tuán)簇總能量定義為A1和一個(gè)Zn原子能量之和.另一種是“Co摻雜團(tuán)簇→A1＋一個(gè)孤立的Zn原子”，團(tuán)簇的分裂能用ΔE2表示.計(jì)算結(jié)果也列在表1中.從表1中我們可以發(fā)現(xiàn)，所有的摻雜團(tuán)簇的分裂能ΔE1都為正，表明純（ZnO）12團(tuán)簇很容易接納一個(gè)Co原子，即Co摻雜（ZnO）12團(tuán)簇都是放熱的.表明Co摻雜提高了（ZnO）12團(tuán)簇的穩(wěn)定性.而A3到A5結(jié)構(gòu)的分裂能ΔE2都為正，其中A3的分裂能最大，表明Co外摻雜團(tuán)簇結(jié)構(gòu)A3是最穩(wěn)定結(jié)構(gòu).計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)Co原子摻雜進(jìn)（ZnO）12團(tuán)簇后，它更趨向于占據(jù)原來(lái)Zn原子的位置，并將原來(lái)的Zn原子外推.

2.2.3 磁性質(zhì)

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)單摻雜（ZnO）12團(tuán)簇進(jìn)行磁性計(jì)算.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1中.研究發(fā)現(xiàn)，除了A5的總磁矩是1 μB，其它所有單摻雜團(tuán)簇的總磁矩為3 μB.等于孤立Co原子磁矩.團(tuán)簇磁矩主要來(lái)自Co-3d態(tài)的貢獻(xiàn)，4s和4p態(tài)也貢獻(xiàn)了一小部分磁矩.由于軌道雜化，相鄰的Zn和O原子上也產(chǎn)生少量自旋.對(duì)于A1－A4構(gòu)型，Co原子和相鄰的Zn及O原子的磁矩方向平行，表明它們之間是鐵磁耦合.對(duì)于A5，相鄰的Zn原子和O原子的磁矩都與Co原子相反，表明他們之間是反鐵磁耦合.綜上所述，我們斷定Co摻雜團(tuán)簇的磁性依賴于Co原子周圍環(huán)境.

2.3 雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇

為了研究Co原子間的相互作用，我們重點(diǎn)研究了Co原子雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇.考慮了替代雙摻雜，外雙摻雜以及內(nèi)雙摻雜三種情況.

2.3.1 替代雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇

首先，研究替代雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇.由于純（ZnO）12團(tuán)簇的高對(duì)稱性，我們只構(gòu)造出五種不同的結(jié)構(gòu)，分別標(biāo)記為B1－B5.圖2為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖.由于Co原子和Zn原子半徑差別不大，除了一些微小的變形外，所有的摻雜結(jié)構(gòu)都和純（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)很相似.

表2列出了我們的計(jì)算結(jié)果.所有構(gòu)型反鐵磁態(tài)總磁矩都為零，而鐵磁態(tài)的總磁矩都是6 μB，主要來(lái)源于Co－3d態(tài)的貢獻(xiàn).Mulliken布局分析顯示Co原子和最近鄰O原子磁矩平行排列，表明它們之間是鐵磁耦合.

對(duì)于B3，B4和B5，當(dāng)Co-Co間距大于4 ?時(shí)，鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)具有相同能量，表現(xiàn)為順磁性行為.并且鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)幾乎具有相同的結(jié)構(gòu)，相似的局域電荷和局域磁矩.唯一的不同是反鐵磁態(tài)的能隙要稍微大一點(diǎn).這表明Co原子之間的磁性耦合是短程相互作用.對(duì)于B1和B2構(gòu)型，反鐵磁態(tài)的能量比鐵磁態(tài)能量分別低0.001和0.006 eV·atom－1.表明反鐵磁態(tài)比鐵磁態(tài)更穩(wěn)定.反鐵磁態(tài)的能隙依然稍微大一點(diǎn).其中B1構(gòu)型的反鐵磁態(tài)能量比B2反鐵磁態(tài)能量低，說(shuō)明B1是替代雙摻雜團(tuán)簇中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).對(duì)于Co-Co間距最小，磁性耦合最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)B1，反鐵磁態(tài)能量最低.說(shuō)明對(duì)于替代雙摻雜團(tuán)簇，直接的Co-Co反鐵磁相互作用是占主導(dǎo)地位的.

表2 替代雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇中，兩個(gè)Co原子間距（dCo），束縛能，HOMO-LUMO能隙，總磁矩，Co原子及相鄰O原子的磁矩Table 2 Distance between two Co atoms（dCo，in），binding energy（Eb，in eV·atom－1），HOMO-LUMO gap（Gap，in eV），and total magnetic moment（μtot，in μB）of substitutional bidoped（ZnO）12clusters.Magnetic moment（μCo，in μB）of Co atom and bonding Zn，O atoms（μZnand μO，in μB）in clusters

鐵磁態(tài)反鐵磁態(tài)dCoEbGapμCoμOμtotdCoEbGapμCoμOμtotB12.66－3.4550.962.520.8162.61－3.4561.302.5200 B23.09－3.4500.982.610.7363.08－3.4551.192.57－0.010 B34.94－3.4420.962.560.4164.95－3.4420.982.560.390 B45.20－3.4531.172.620.7065.21－3.4531.342.6100 B55.89－3.4420.932.560.7865.83－3.4420.982.5500

2.3.2 外雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇

我們也構(gòu)建了五種不同的結(jié)構(gòu)，分別標(biāo)記為C1－C5.圖3畫(huà)出了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu).由于外摻雜了兩個(gè)Co原子，摻雜后的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)相對(duì)于純（ZnO）12團(tuán)簇有較大的變形.

表3列出了計(jì)算結(jié)果.和替代摻雜結(jié)果相似，磁矩主要來(lái)源于Co-3d態(tài)的貢獻(xiàn).所有結(jié)構(gòu)反鐵磁態(tài)總磁矩都為零.C1和C2結(jié)構(gòu)鐵磁態(tài)的總磁矩是4 μB，C3，C4和C5結(jié)構(gòu)鐵磁態(tài)的總磁矩都是6 μB，表明Co摻雜團(tuán)簇的磁性與團(tuán)簇結(jié)構(gòu)有關(guān).Mulliken布局分析顯示Co原子和最近鄰O原子磁矩平行排列，表明它們之間是鐵磁耦合.除了C1構(gòu)型，其它構(gòu)型中Co原子和最近鄰Zn原子磁矩也是平行排列，表明它們之間是鐵磁耦合.而C2構(gòu)型由于結(jié)構(gòu)變形較大，兩個(gè)Co原子的磁矩不等，使得體系呈現(xiàn)亞鐵磁態(tài).

和替代摻雜團(tuán)簇不同，外雙摻雜C1結(jié)構(gòu)是鐵磁耦合，鐵磁態(tài)能量比反鐵磁態(tài)能量低0.002 eV·atom－1，表明兩個(gè)Co原子通過(guò)O原子的p-d雜化的鐵磁耦合占主導(dǎo)地位.對(duì)于C2、C3、C4、C5結(jié)構(gòu)，鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)能量幾乎相同，呈現(xiàn)順磁行為.表明Co原子之間的磁性耦合是短程相互作用.束縛能變化次序?yàn)镃3＞C2＞C4＞C5＞C1，說(shuō)明C3是外雙摻雜團(tuán)簇中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).

表3 外雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇中，兩個(gè)Co原子間距，束縛能，HOMO-LUMO能隙，Co原子磁矩，相鄰Zn、O原子的磁矩.Table 3 Distance between two Co atoms（dCo，in），binding energy（Eb，in eV·atom－1），HOMO-LUMO gap （Gap，in eV），and total magnetic moment（μtot，in μB）of exohedral bidoped（ZnO）12clusters.Magnetic moment（μCo，in μB）of Co atom and bonding Zn，O atoms（μZnand μO，in μB）in clusters

鐵磁態(tài)反鐵磁態(tài)dCoEbGapμZnμOμCodCoEbGapμZnμOμCoC12.28－3.1980.95－0.140.261.962.34－3.1960.96002.13 C24.53－3.2110.480.030.331.13 2.544.51－3.2110.47－0.19－0.281.11 －2.56 C35.72－3.2141.240.200.542.615.73－3.2141.30002.60 C47.50－3.2081.200.210.542.597.50－3.2081.29002.58 C57.51－3.1991.130.210.532.597.52－3.1991.25002.58

2.3.3 內(nèi)雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇

由于空心籠內(nèi)部有較大空間，可以容納兩個(gè)Co原子，于是我們考慮了內(nèi)雙摻雜構(gòu)型.圖4畫(huà)出了優(yōu)化后結(jié)構(gòu).由于內(nèi)摻雜了兩個(gè)Co原子，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)有較大的變形，沿Co原子連線方向，籠子被拉伸了.

表4列出了計(jì)算結(jié)果.對(duì)于鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)，Co-Co間距分別是2.318 ?和2.319 ?，相比于其他摻雜，Co原子間距是最小的.反鐵磁態(tài)能量要低0.04 eV·atom－1，這在所有的結(jié)構(gòu)中能量差異是最大的.我們認(rèn)為直接Co-Co反鐵磁相互作用最強(qiáng)，使得它趨于反鐵磁態(tài).在Mn摻雜（ZnO）12團(tuán)簇中發(fā)現(xiàn)相似的行為［21］.束縛能與HOMO-LUMO能隙相比其它摻雜顯著減小.

接著，我們對(duì)鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)譜分析，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)虛頻.說(shuō)明它們都是勢(shì)能面上的極小值點(diǎn)而不是鞍點(diǎn).為了研究它的穩(wěn)定性，我們進(jìn)一步計(jì)算了它的分裂能，即內(nèi)雙摻雜團(tuán)簇反鐵磁態(tài)→（ZnO）12＋兩個(gè)孤立的Co.結(jié)果為3.01 eV，表明（ZnO）12團(tuán)簇能穩(wěn)定地?fù)碛袃蓚€(gè)Co原子.

團(tuán)簇磁矩主要來(lái)自Co-3d態(tài)的貢獻(xiàn)，4s和4p態(tài)也貢獻(xiàn)了一小部分磁矩.對(duì)鐵磁態(tài)，總磁矩只有2 μB，明顯小于其它雙摻雜結(jié)構(gòu)以及單個(gè)Co原子的磁矩.當(dāng)我們移走一個(gè)Co原子，總磁矩變?yōu)? μB，表明磁矩減小主要來(lái)源于Co原子間的強(qiáng)相互作用.

2.3.4 各種雙摻雜團(tuán)簇穩(wěn)定性比較

對(duì)于化學(xué)組分相同的C3和D，C3的來(lái)縛能更低，說(shuō)明它的穩(wěn)定性要比D高.對(duì)于化學(xué)組分不同的C3和B1，我們計(jì)算了從C3到B1的分裂能，C3→B1＋2Zn.結(jié)果為0.598 eV·atom－1，為正值，表明外雙摻雜結(jié)構(gòu)C3比替代雙摻雜結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定.說(shuō)明對(duì)于雙摻雜，外摻雜是最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這與單摻雜團(tuán)簇的結(jié)論一致.振動(dòng)譜分析C3和B1，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)虛頻.說(shuō)明它們都是勢(shì)能面上的極小值點(diǎn)而不是鞍點(diǎn).

表4 內(nèi)雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇中，兩個(gè)Co原子間距，束縛能，HOMO-LUMO能隙，總磁矩，Co原子及相鄰Zn、O原子的磁矩Table 4 Distance between two Co atoms（dCo，in），binding energy（Eb，in eV·atom－1），HOMO-LUMO gap （Gap，in eV），and total magnetic moment（μtot，in μB）of endohedral bidoped（ZnO）12clusters.Magnetic moment （μCo，in μB）of Co atom and bonding Zn，O atoms（μZnand μO，in μB）in clusters

dCoEbGapμZnμOμtotμCo 4s4p3dtotal鐵磁態(tài)2.318－3.1490.390.210.042－0.0040.0050.8740.874反鐵磁態(tài)2.319－3.1550.400000.0120.0311.1461.188

3 結(jié)論

采用第一性原理密度泛函理論系統(tǒng)研究了Co原子單摻雜和雙摻雜（ZnO）12團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì).我們考慮了三種摻雜方式：替代摻雜、外摻雜和內(nèi)摻雜.不管是單摻雜還是雙摻雜，外摻雜團(tuán)簇都是最穩(wěn)定結(jié)構(gòu). Co原子之間的磁性耦合由直接的Co-Co反鐵磁耦合和Co和O原子之間通過(guò)p-d雜化產(chǎn)生的鐵磁耦合這兩者競(jìng)爭(zhēng)決定.最后，我們指出外雙摻雜團(tuán)簇C1是鐵磁耦合，在納米量子器件有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

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Structure and Magnetic Properties of Co-doped（ZnO）12Clusters

XIE Jianming，CHEN Hongxia
（Department of Physics，Yancheng Teachers University，Yancheng 224002，China）

Structure and magnetic properties of（ZnO）12clusters doped with one（monodoped）and two（bidoped）Co atoms are studied with first-principles method.Substitutional，exohedral，and endohedral doping are considered.Exohedral isomers are found the most favorable in both monodoped and bidoped clusters.Magnetic coupling between Co atoms is short-range.Magnetic coupling between Co atoms at the nearest neighbor is mainly governed by competition between direct Co-Co antiferromagnetic interaction and ferromagnetic interaction between two Co atoms via O atom due to strong p-d hybridization.We demonstrate that exohedral bidoped cluster favors ferromagnetic state，which has potential applications in nanoscale quantum devices.

diluted magnetic semiconductor；clusters；density functional theory

date： 2013－06－25；Revised date： 2013－09－23

O469

A

1001-246X（2014）03-0372-07

2013－06－25；

2013－09－23

國(guó)家自然科學(xué)基金（11247235），江蘇省高校自然科學(xué)基金（11KJB140013）及青藍(lán)工程（QLP）資助項(xiàng)目

謝建明，男，實(shí)驗(yàn)師，主要從事稀磁半導(dǎo)體材料的研究，E-mail：dtxiejianming＠sina.com