فهرست مطالب
فصل اول : مقدمه

هدف اصلی در صنعت اسپینترونیک ،کنترل وبکارگیری اسپین الکترون ها ، علاوه بربار آن هاست . ازچشم اندازهای این صنعت می توان به ساخت حافظه های غیرفرارسریع ، افزایش سرعت پردازش اطلاعات ،کاهش توان مصرفی و افزایش پکیدگی مدارهای مجتمع اشاره کرد . در این صنعت از ترکیباتی استفاده می شود که اولاً تکنولوژی لازم برای تهیه آن ها باشد وثانیاً دمای گذارآن ها بزرگ ( نزدیک دمای اتاق ) باشد. مطالعات نظری صورت گرفته در این خصوص نشان می دهند که تنها ترکیبات پایه با گاف نواری بزرگتردمای گذار بالاتری از خود نشان می دهند . دمای گذار بالا جایی است که می توان این ترکیبات را تجاری کرد .
1-2 نیمرساناهای مغناطیسی رقیق
آلایش ترکیبات نیمرسانا با عناصرواسطه ( Cr , Mn , Fe , Co , Ni ) می تواند منجربه تولید موادی شوند که خاصیت مغناطیسی ازخود نشان می دهند که به چنین ترکیباتی اصطلاحاً نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده (DMS) می گویند . یک دسته از ترکیباتی که در تولید DMS ها به عنوان ترکیب پایه استفاده می شوند ترکیبات گروه II-VI هستند . ترکیبات این گروه دارای گاف نواری پهن ومستقیم می باشند . این ترکیبات قابلیت انتشار نور حتی در دمای اتاق را دارند به همین دلیل این ترکیبات کاندیدای مناسبی برای ساخت قطعات اسپینترونیکی و اپتوالکترونیکی می باشند . گاف نواری و ثابت شبکه بعضی از این ترکیبات در جدول (1-1) گزارش شده است .
سولفیدروی (ZnS) یک نیمرسانای مهم ازترکیبات گروه II-VI است. که اتم های Zn وS به ترتیب در گروه II و VI جدول تناوبی قرار دارند . اوربیتال های اتمی لایه آخر روی (3d,4s) است درحالی که برای اتم S (3s,3p) است . اتم Zn دارای عدداتمی 30 ، شعاع اتمی 133/0 نانومتر و شعاع یونی 074/0 نانومتراست درحالیکه اتم S دارای عدداتمی 16، شعاع اتمی 101/0 نانومتر و شعاع یونی 184/0نانومتراست ]1[. گاف نواری این ماده دردمای اتاق در حدود 68/3 الکترون ولت می باشد . حدود این گاف نواری نشان می دهد که حدود طول موج های طیف اپتیکی شفاف است . نوع و قدرت پیوندهای بین اتمی این ترکیب یونی وبسیارقوی می باشد که این مسئله می تواند علت کاهش رسانش گرمایی و پهن بودن گاف نواری این ماده باشد . دمای ذوب این ترکیب درحدود 1718 درجه سانتی گراد است . این ماده کاندیدای مناسبی برای استفاده در ساخت سلول های خورشیدی ، حافظه های اپتیکی ، بازتابنده ها و صفحه نمایش های تخت می باشد]2،3 [. ازسوی دیگر با توجه به پهن بودن گاف نواری این ماده پیش بینی می شود که درصورت آلایش این ماده با اتم های مغناطیسی امکان افزایش دمای کوری در این مواد وجود داشته و امکان استفاده از این ترکیب را در صنعت اسپینترونیک برای ساخت قطعاتی نظیر حافظه های مغناطیسی فراهم می آورد.
1-3 ساختاربلوری
سولفیدروی می تواند با دو ساختار مکعبی زینک بلند وشش گوشی وورت سایت متبلور شود. سولفیدروی درساختار زینک بلند به این شکل متبلور می شود که روی یک زیر شبکه ی Fcc ، درهر یک از مکان های(000) ،(0 2/1 2/1)، ( 2/1 0 2/1 ) ،( 2/1 2/1 0 ) یک اتم قرار می گیرد و اتم های دیگر روی یک زیرشبکه Fcc دوم طوری قرار می گیرند که این زیر شبکه در طول قطر به مقدار 4/1 جا به جا شود ( شکل (1-1) ) . در این ساختار هر اتم Zn درمرکز یک چهاروجهی از اتم های S قرار گرفته و هراتم S دارای چهار نزدیکترین همسایه Zn در محل های مشابه است. این ساختار به گونه ای است که اگر Zn و S با هم جا به جا شوند ، باز همان ساختار بدست می آید. سولفید روی در این ساختار، دارای ثابت شبکه 409/5 انگستروم وگاف نواری 68/3 الکترون ولت می باشد. ساختارمکعبی سولفیدروی در شکل (1-1) نشان داده شده است .

ساختار مکعبی زینک بلند

ساختار مکعبی زینک بلند

1-1 مقدمه ………………………………………………………………………….2
1-2 نیمرساناهای مغناطیسی رقیق …………………………………………….2
1-3 ساختار بلوری …………………………………………………………………. 4
1-4 ساختارنواری …………………………………………………………………. 6
1-5 نظریه مغناطیسی مواد …………………………………………………….. 7
1-5-1 مغناطش ………………………………………………………………….. 7
1-5-2 پارامغناطیس ها …………………………………………………………… 8
1-5-3 فرومغناطیس ها …………………………………………………………… 9
1-5-4 دیامغناطیس ها ………………………………………………………….. 10
1-5-5 پادفرومغناطیس ها ……………………………………………………….. 10
1-5-6 فری مغناطیس ها ………………………………………………………… 10
1-6 برهم کنش دوقطبی دوقطبی ……………………………………………… 11
1-7 برهم کنش تبادلی …………………………………………………………… 12

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم : نظریه تابع چگالی و حل معادلات کوهن – شم

اکثر سیستم هایی که در جهان فیزیکی ما وجود دارند سیستم های بس ذره ای هستند . یک دستگاه بس ذره ای شامل مجموعه ای از الکترون ها و یون های در حال برهم کنش می باشد . یک دستگاه بس ذره ای را می توان به دو روش کلاسیکی و کوانتومی مطالعه نمود. به دلیل آن که با روش کلاسیکی نمی توان همه ی خواص سیستم را مورد بررسی قرار داد لذا برای مطالعه دقیق تر از روش های مکانیک کوانتومی استفاده می شود . برای بررسی کوانتومی یک سیستم به حل معادله شرودینگر نیاز است و از آن جا که حل دقیق معادله شرودینگر برای سیستم های بس ذره ای غیرممکن است از روش های تقریبی برای حل این سیستم ها استفاده می شود که در ادامه به بعضی از این روش ها اشاره شده است .
2-2روش کوانتومی حل یک سیستم بس ذره ای
معادله (2-1) که به معادله مستقل از زمان و غیرنسبیتی شرودینگر معروف است معادله یک سیستم بس ذره ای شامل N ذره در حال برهم کنش است]8[.

در این معادله Ĥ هامیلتونی برای یک سیستم شامل M هسته و N الکترون است که تمام برهم کنش ها در عملگر هامیلتونی Ĥ لحاظ شده است . Ψ تابع موج بس ذره ای است که عملگر هامیلتونی روی آن اثر می کند . در حل به روش های تقریبی ، معادله شرودینگر بس ذره ای به تعدادی معادلات تک ذره ای تبدیل می شود وسپس معادلات تک ذره را حل می کنند . معادله شرودینگر بس ذره ای را به دو روش می توان به معادلات تک ذره تبدیل کرد . در روش اول تابع موج Ψ(x_1,x_2,…) به عنوان متغیر اصلی و در روش دیگر چگالی الکترونی به عنوان متغیر اصلی در نظر گرفته می شود . چون تابع موج بس الکترونی به مختصات فضایی تمام الکترون ها وابسته است درحالی که چگالی الکترونی تنها به مختصه مکان وابسته است لذا روش استفاده از چگالی الکترونی از پیچیدگی کمتری برخوردار است . همچنین چگالی یک کمیت قابل اندازه گیری است در حالی که تابع موج قابل اندازه گیری نیست . هامیلتونی یک سیستم بس ذره ای که در معادله (2-1) معرفی شد را می توان بصورت زیر نوشت]

که در این رابطه A و B بیانگر M هسته ، i و j بیانگر N الکترون ، 〖 Z_B و Z〗_Aبه ترتیب بار هسته A و هسته B ، R_AB فاصله برداری بین هسته A و B وr_ij فاصله برداری بین الکترون i و jدر سیستم می باشند . در این رابطه جمله اول و دوم به ترتیب هامیلتونی انرژی جنبشی الکترون و هسته می باشند . جمله سوم انرژی پتانسیل برهم کنشی الکترون – هسته و جمله چهار و پنجم به ترتیب ناشی از انرژی پتانسیل الکترون – الکترون و انرژی پتانسیل هسته – هسته می باشند .
2-3 تقریب بورن – اپنهایمر
در هامیلتونی که با رابطه (2-2) بیان کردیم ، به علت جفت شدگی برهم کنش الکترون ها و یون ها نمی توان معادله را به دو معادله بس الکترونی و بس یونی تجزیه نمود . برای حل چنین دستگاهی از تقریب استفاده می شود . یکی از این روش های تقریبی تقریب بورن – اپنهایمر است که بر پایه دو فرض استوار می باشد . فرض اول این است که چون جرم هسته بیشتر از جرم الکترون است هنگام بررسی الکترون ها ، یون ها ساکن هستند . فرض دوم این است که در دمای صفر کلوین هنگام بررسی یون ها ، الکترون ها در حالت پایه قرار دارند ، حتی اگر یون ها حرکت کنند]10،11[.

2-1 مقدمه …………………………………………………………………………. 16
2-2 روش کوانتومی حل یک سیستم بس ذره ای ……………………………. 17
2-3 تقریب بورن – اپنهایمر ………………………………………………………… 19
2-4 تقریب هارتری – فوک ………………………………………………………… 21
2-5 چگالی الکترون ها …………………………………………………………….. 23
2-6 نظریه تابعی چگالی ………………………………………………………….. 25
2-7 نظریه توماس – فرمی ………………………………………………………… 26
2-8 قضایای هوهنبرگ – کوهن …………………………………………………… 28
2-8-1 قضیه اول هوهنبرگ – کوهن ………………………………………………. 28
2-8-2 قضیه دوم هوهنبرگ – کوهن ……………………………………………… 30
2-9 معادلات تک الکترونی کوهن – شم …………………………………………. 31
2-10 تابع انرژی تبادلی – همبستگی ……………………………………………. 35
2-10-1 تقریب چگالی موضعی …………………………………………………… 35
2-10-2 تقریب شیب تعمیم یافته …………………………………………………. 36
2-10-3 تقریب شیب تعمیم یافته وو – کوهن …………………………………… 38
2-10-4 تابع های هیبرید …………………………………………………………… 38
2-11 روش های حل معادلات کوهن – شم ……………………………………..39
2-11-1 روش امواج تخت بهبود یافته (APW) …………………………………..ا.. 40
2-11-2 روش امواج تخت بهبود یافته خطی (LAPW) ..ا…………………………. 41
2-11-3 روش امواج تخت بهبود یافته خطی با اوربیتال های موضعی (LAPW+LO) .ا………………………………………………………………………………………. 42

فصل سوم : مروری بر کارهای دیگران

همانطور که در بخش های قبلی بیان شد نیمرسانای سولفیدروی دارای ثابت شبکه 409/5 انگستروم و گاف نواری 68/3 الکترون ولت است . نتایج نظری گزارش شده توسط گروه های تحقیقاتی دیگر نشان می دهد که با توجه به کد محاسباتی استفاده شده و همچنین تقریب به کار رفته در محاسبات ، مقادیر متفاوتی برای ثابت های شبکه و گاف نواری بدست می آید . به نتایج بعضی از این گزارشات در جدول (3-1) اشاره شده است . این نتایج نشان می دهد که ثابت های شبکه محاسبه شده ، توافق خوبی با مقادیر تجربی دارند . این درحالی است که مقادیر گاف نواری بدست آمده اختلاف قابل توجهی با مقادیر تجربی گزارش شده دارند . البته با توجه به نوع تقریب به کار رفته میزان اختلاف ها متفاوت است .

گروه راجامانا و همکاران در سال 2010 میلادی اثر آلایش منگنز روی ساختاربلوری و خواص اپتیکی و مغناطیسی نمونه های سولفیدروی خالص و آلاییده با اتم های مغناطیسی منگنز(5/0%-20%) که به روش همرسوبی شیمیایی تهیه شدند را بررسی کردند ]56[ . آنها نیز با استفاده از اندازه گیری های XRD در نمونه های خالص و آلاییده به این نتیجه رسیدند که با افزودن ناخالصی منگنز و افزایش آن ثابت شبکه نمونه ها کاهش می یابد

گروه چنگ و همکاران در سال 2005 میلادی اثر آلایش منگنز روی خواص مغناطیسی نمونه های سولفیدروی که به روش همرسوبی شیمیایی رشد داده شدند را بررسی نمودند]58[. نتایج مطالعات آن ها نشان داد که فاز پایدار نمونه های سولفیدروی آلاییده با منگنز فاز آنتی فرومغناطیس است .
گروه آماراناتا و همکاران در سال 2012 میلادی اثر آلایش 030/0% منگنز و 030/0% کروم روی ساختاربلوری و خواص مغناطیسی نمونه های سولفیدروی که بروش همرسوبی شیمیایی آماده شدند را بررسی کردند ]59[ . با استفاده از طیف XRD نمونه ها مشخص گردید که افزودن ناخالصی منگنز و کروم باعث کاهش ثابت شبکه نمونه ها می شود ]60،59 [. مقادیر ثابت های شبکه بدست آمده در جدول (3-5) گزارش شده است .

3-1 مطالعات تئوری …………………………………………………………………. 44
3-1-1 سولفیدروی خالص (ZnS) ……………………………..ا………………….. 44
3-2 مروری بر کارهای نظری صورت گرفته روی DMS ها ……………………… 46
3-2-1 ZnS:Cr …………………………ا………………………………………….. 46
3-2-2 ZnS:Mn …………………………………………………………………..ا… 48
3-2-3 ZnS:Fe ……………………….ا…………………………………………….. 50
3-3 مطالعات تجربی ………………………………………………………………. 54
3-3-1 ZnS:Cr ………………………………………………………………….ا… 54
3-3-2 ZnS:Fe …………………………………………………………………ا…. 57
3-3-3 ZnS:Mn ………………………………………………………………….ا…. 60

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل چهارم : بررسی خواص الکترونی ومغناطیسی ZnS خالص و آلایش یافته با عناصرواسطه

در این پایان نامه از روش امواج تخت بهبودیافته خطی با اوربیتال های موضعی (LAPW+lo) درچارچوب نظریه تابع چگالیDFT برای حل معادلات کوهن – شم استفاده کرده ایم . متغیر اصلی در این روش چگالی ابر الکترونی است . محاسبات مورد نظر با استفاده از کد محاسباتیwien2k انجام شده است .
سولفیدروی ZnS ، یکی از ترکیبات نیمرسانای گروهII-VI است . این ماده نیمرسانا در فاز چهارگوشی ( زینک بلند ) با گروه فضاییF43m و همچنین فاز شش گوشی ( وورتسایت ) ، با گروه فضاییP6mc متبلور می شود . چون ساختار چهارگوشی سولفیدروی از ساختار شش گوشی آن پایدارتر است بنابراین محاسبات انجام شده در این پایان نامه روی این ساختار متمرکز شده است . در این ساختار اتم Zn در جایگاه (0،0،0) و اتم S در جایگاه (4/1 ،4/1 ،4/1 ) قرار می گیرد .
دراستفاده ازکدمحاسباتی wien2k قبل از انجام محاسبات نهایی ابتدا بایستی پارامترهای مورد نیاز را بهینه کرده و سپس با استفاده از مقادیر بهینه شده محاسبات مورد نظر را انجام داد . در ادامه به معرفی این پارامترها وچگونگی بهینه کردن آن می پردازیم .
4-1-1 بهینه سازی پارامترهای ورودی
برای این کار ابتدا نزدیکترین فاصله همسایگی یون ها محاسبه شده و سپس توسط آن ، شعاع کره مافین – تین هر اتم به گونه ای تخمین زده می شود که بین کره ها هیچ همپوشانی وجود نداشته باشد . شعاع مافین – تین محاسبه شده برای آلایش های کروم ، منگنز و آهن در ساختار مکعبی سولفیدروی در جدول (4-1) گزارش شده است .
از جمله پارامترهای دیگری که بهینه شده است عبارتست از حاصلضرب R_MT×K_MAX که تعداد تابع های پایه را تعیین می کند و در آن R_MT شعاع کوچکترین کره مافین – تین وK_MAX بیشینه اندازه بردار موج در بسط توابع موج خارج از کره های مافین – تین بر حسب امواج تخت است . در این محاسبات ، انرژی جداسازی الکترون های ظرفیت و مغزی ، برابر با 10- ریدبرگ در نظر گرفته شده است . همچنین بیشینه عدد کوانتومی مداری را برای توابع موج داخل کره های اتمی برابر 10 انتخاب شد و چگالی بار و پتانسیل را در ناحیه بین جایگاهی تا بسط G_MAX=12 محدود کردیم . پارامتر بعدی در انجام محاسبات ، انتخاب تعداد نقاط در منطقه اول بریلوئن برای مش بندی این ناحیه می باشد . با توجه به درصد آلایش مورد نظر می توانیم تعداد نقاط K را کمتر از مقدار بهینه شده برای سولفیدروی خالص در نظر بگیریم ، چون با ساخت ابرسلول بردارهای شبکه بزرگتر شده و حجم ناحیه بریلوئن در فضای وارون کاهش می یابد و در نتیجه تعداد نقاط K برای مش بندی این ناحیه نیزکاهش خواهدیافت . در این محاسبات برای دقت بیشتر برای همه آلایش ها تعداد نقاط 100 در نظرگرفته شده است . در این محاسبات به علت عدم تقارن بردارهای شبکه ابرسلول ، به برنامه اجازه داده می شود تا تعداد نقاط K مناسب در هر راستا را طوری تعیین کند که حاصلضرب تعداد نقاط در همه راستا عدد 100 شود .
برای بهینه کردن هر یک از پارامترهای اشاره شده ، پارامترهای دیگر ثابت در نظر گرفته شدند و با تغییر پارامتر مورد نظر ، تا رسیدن به کمینه انرژی مقدار بهینه آن بدست می آید . برای محاسبه انرژی تبادلی – همبستگی از روش GGA و EECE که در بخش معرفی شده اند استفاده کرده ایم . محاسبات انرژی نشان دادند که جانشینی یون های مغناطیسی آلایش شده درجایگاه اتم روی باعث پایداری بیشتر سیستم می شود . لذا درکلیه محاسبات انجام شده در این پایان نامه یون های مغناطیسی را در جایگاه های اتم روی قرار داده ایم .
بعد از بهینه سازی پارامترهای اولیه بایستی ثابت شبکه بهینه را نیز بدست آوریم که اولین کمیت فیزیکی مورد نیاز برای انجام محاسبات بعدی نظیر محاسبه ساختار نواری و چگالی حالات است . برای بهینه سازی این پارامتر به صورت زیر عمل می کنیم :
ابتدا ثابت های شبکه تجربی نمونه خالص را به عنوان ورودی به برنامه می دهیم . برنامه حجم سلول را حول حجم اولیه که از ثابت شبکه تجربی بدست آمده با درصد های مختلفی که تعیین می کنیم تغییر می دهد و به ازای هر حجم ، انرژی حالت پایه بلور را محاسبه می نماید . سپس با استفاده از داده های بدست آمده نمودار تغییرات انرژی حالت پایه را برحسب حجم رسم می کند . از روی این نمودار می توان حجمی که به ازای آن انرژی حالت پایه کمینه شده است تعیین نمود . در نتیجه با توجه به این حجم می توان ثابت شبکه بهینه را بدست آورد . در این محاسبات ، تغییرات انرژی برحسب حجم از طریق دو معادله مورناگان ، بیرچ – مورناگان داده می شود که ما برای محاسبات معادله مورناگان را انتخاب کردیم . تغییرات انرژی برحسب حجم در این معادله به صورت زیر بیان می شود :

4-1 جزئیات محاسبات ……………………………………………………………….. 64
4-1-1 بهینه سازی پارامترهای ورودی ……………………………………………. 65
4-2 بررسی خواص مغناطیسی نیمرساناهای ZnS:TM ………………ا………… 71
4-2-1 فاز پایدار حالت پایه نیمرساناهای ZnS:TM ……ا………………………….. 71
4-2-2 محاسبه ساختارنواری …………………………………………………………. 74
4-2-3 چگالی حالات (DOS) ………………………………ا………………………..83
4-2-3-1 بررسی چگالی حالات و خواص مغناطیسی ZnS خالص……………… 83
4-2-3-2 بررسی چگالی حالات و خواص مغناطیسی ZnS آلاییده با عناصر مغناطیسی …………………………………………………………………………………………. 86
4-3-3 بررسی گشتاورهای مغناطیسی در نیمرساناهای ZnS:TM ……ا……… 96
نتیجه گیری …………………………………………………………………………. 98
مراجع ………………………………………………………………………………..100

Abstract
In this thesis, the electronic structure and magnetic properties of transition metal (TM)-doped ZnS semiconductors have been studied by wien2k code. Cr, Mn and Fe were doped in this system . TM doping percent were 6.25% ,12.5% and 25% . In these calculations, we have used the generalized gradient approximation (GGA) and the exact exchange-correlation electron (EECE).
The results of this study were exhibited that the lattice constant of the samples decreases as the magnetic ions increases. Comparison of the total energy between the antiferromagnetic (AFM), ferromagnetic (FM) and paramagnetic (PM) states were indicated that the stable phase of Cr and Fe doped- samples is FM while for Mn doped-sample is AFM. Investigation of the total density of states of the doped-samples showed a half metallic behavior for Cr- and Fe- doped ZnS.
The results of the calculation of the band structure for TM-doped samples show that all compounds have direct band gap. The values of the total magnetic moment of the Cr- and Fe- doped ZnS increases as the ionic dopant increases. The total magnetic moment was zero for Mn-doped samples



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان