MedeA案例二十四:在碳化材料中的应用氢辐射SiC磁性研究

2017-03-14 17:13:09 来源:源资科技市场部

新闻摘要:目前,磁性材料不仅局限于含Fe和Co原子的材料,在很多存在缺陷的氧化物、氮化物、碳化物中也观察到了磁性。SiC在聚变和裂变反应堆中是一种很有前景的材料。SiC被氢辐射之后会产生不同类型的缺陷,简单的缺陷包括Si、C空穴,Si和C间隙,Si和C反向位点等。研究发现,用H持续辐射SiC,SiC中缺陷数目会随之增加,其中一些缺陷是磁性缺陷。缺陷的相互作用是复杂的,它们之间的相互作用可能会改变缺陷特征。此篇文献由MedeA客户北京师范大学的程伟老师发表,在本案例中,作者通过第一性原理,采用MedeA-VASP模块


1.研究背景
      目前,磁性材料不仅局限于含Fe和Co原子的材料,在很多存在缺陷的氧化物、氮化物、碳化物中也观察到了磁性。SiC在聚变和裂变反应堆中是一种很有前景的材料。SiC被氢辐射之后会产生不同类型的缺陷,简单的缺陷包括Si、C空穴,Si和C间隙,Si和C反向位点等。研究发现,用H持续辐射SiC,SiC中缺陷数目会随之增加,其中一些缺陷是磁性缺陷。缺陷的相互作用是复杂的,它们之间的相互作用可能会改变缺陷特征。此篇文献由MedeA客户北京师范大学的程伟老师发表,在本案例中,作者通过第一性原理,采用MedeA-VASP模块系统地研究了SiC含不同氢诱导缺陷体系的磁性。


2.建模与计算方法
      作者通过Welcome to MedeA Bundle中InfoMaticA搜索了SiC结构,然后采用Supercell Builder创建了SiC超晶胞,随后创建了不同类型H插入的SiC结构。接着,作者采用MedeA-VASP模块对不同体系进行了几何结构及电子结构的计算(GGA泛函,460 eV截断能)。


3.结果与讨论
3.1几何性质
      作者采用MedeA-VASP模块对SiC进行结构优化。图1,H原子在SiC晶胞A、B、D三处插入。对于单个H原子的插入结构经过优化后,,C和Si原子向相反方向移动,一个C-Si键断开,形成一个C-H键,这种氢诱导缺陷结构最稳定。图1(b)-(f)结构均在Si96C96中插入一个H2分子,图1(b)-(d)经过优化后,这三种结构均没有磁性。图1(e)和(f)这两种结构均有磁性。

 



图1  SiC中H诱导缺陷模型。(a)黑球代表C原子,黄球代表Si原子,红球A、B、D代表H原子可能插入的位置;两个H原子距离分别是0.0762 nm (b), 0.276 nm (c), 0.352 nm (d), 0.930 nm (e)及1.238 nm (f)。


3.2电子结构
      作者采用MedeA-VASP计算了H插入到SiC不同位置结构的态密度(DOS)和能带结构,如图2。图2 (a)为HSi48C48能带结构,没有考虑自旋极化,结果发现杂质能带处于导带最低处下方约0.2 eV。图2 (b)为考虑自旋极化的HSi48C48能带结构,杂质能带分裂成两个能级,一个位于费米能级下方,一个位于上方。计算结果表明孤立H缺陷是一个磁性缺陷,磁距为1μB。随后作者又计算了HSi48C48的DOS,见图2(c),费米能级处的最高峰可以解释磁性的来源。

 


图2  SiC中有1个H诱导缺陷结构:(a)未考虑自旋极化的能带结构,(b) 考虑自旋极化的能带结构,(c) DOS图。

  作者又研究了SiC中含1个H诱导缺陷的电荷密度,图3给出了此体系的自旋密度图。自旋电荷密度主要局域在缺陷周围,直径约是0.930 nm。作者发现如果2个H诱导缺陷距离在0.930 nm之内,它们的自旋电子将会重叠并相互作用。

 


图3  SiC中含一个H诱导缺陷结构的自旋密度图(0.008 eV/A3)。每个缺陷周围等值面直径约是0.930 nm。Si原子是蓝色,C原子是棕色,H原子是灰色。

  图4(a)为考虑自旋极化后的H2Si96C96能带结构,与图2(b)相似,这说明2个H缺陷和1个H缺陷对SiC的影响不大。图中显示自旋向上和自旋向下缺陷状态相同,磁距抵消。图4(b),H2Si96C96(2个H间隔1.238 nm)有4个能带:2个处于费米能级下方,另外2个位于上方。此结构有磁性,磁距为2μB。研究发现,2个H缺陷(距离为1.238 nm)之间的相互作用很弱。

 


图4  含2个H诱导缺陷SiC能带结构,(a) 2个H距离最近 (b) 2个H距离最远。


4.总结与展望
      本案例中,作者利用MedeA-VASP模块,研究了SiC不同H诱导缺陷的几何性质和电子性质。研究发现,SiC中两个H原子距离大于0.930 nm,磁距可能会出现。在0.930 nm分界处,含两个H缺陷的SiC结构是相对稳定的。本案例的工作有助于我们更好的理解SiC的性质,为我们日后对碳化物材料深层次研究做出了莫大贡献。


参考文献:
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模块: 
Welcome to MedeA Bundle
MedeA-VASP

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