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

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

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) ……………………………………………………………………………………………………………… 40

2-11-2 روش امواج تخت بهبود یافته خطی (LAPW) ………………………………………………………………………………………………… 41

2-11-3 روش امواج تخت بهبود یافته خطی با اوربیتال های موضعی (LAPW+LO) ………………………………………………. 42

فصل سوم : مروری بر کارهای دیگران

3-1  مطالعات تئوری ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 44

3-1-1  سولفیدروی خالص (ZnS) ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 44

3-2  مروری بر کارهای نظری صورت گرفته روی DMS ها …………………………………………………………………………………………… 46

3-2-1 ZnS:Cr  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 46

3-2-2  ZnS:Mn  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 48

3-2-3  ZnS:Fe   ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 50

3-3  مطالعات تجربی …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 54

3-3-1 ZnS:Cr  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 54

3-3-2 ZnS:Fe   …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 57

3-3-3  ZnS:Mn  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 60

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

4-1  جزئیات محاسبات ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 64

4-1-1  بهینه سازی پارامترهای ورودی …………………………………………………………………………………………………………………………….. 65

4-2 بررسی خواص مغناطیسی نیمرساناهای ZnS:TM …………………………………………………………………………………………………. 71

4-2-1 فاز پایدار حالت پایه نیمرساناهای ZnS:TM ……………………………………………………………………………………………………… 71

4-2-2 محاسبه ساختارنواری ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 74

4-2-3 چگالی حالات (DOS) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………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 ……………………………………………………………………………….. 96

نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 98

مراجع ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 100

 

 

فهرست اشکال

 

فصل اول

شکل ( 1-1 ) : ساختار مکعبی زینک بلند …………………………………………………………………………………………………………………………… 4

شکل (1 -2 ) : ساختار شش گوشی وورت سایت که از دو زیر شبکه تنگ پکیده شش گوشی تشکیل شده است . بردارهای  ، بردار انتقال اولیه و نقاط انتهایی بردارهای پایه ،  در شکل مشخص است ………………………………………………………………. 5

شکل ( 1- 3) : ساختار نواری ZnS که با روش امواج تخت بهبودیافته خطی بدست آمده است ……………………………………… 6

فصل دوم

شکل ( 2-1 ) : تفکیک سلول واحد به I : ناحیه بین جایگاهی ، II : درون کره ها …………………………………………………………. 40

فصل سوم

شکل ( 3-1 ) : ساختارنواری سولفیدروی خالص ………………………………………………………………………………………………………………. 45

شکل ( 3-2 ) : ساختار نواری با قطبش اسپینی برای نمونه های ZnS آلاییده با کروم ، الف)اسپین بالا ، ب) اسپین پایین ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 46

شکل( 3-3 ) : نمودار چگالی حالات کلی سولفیدروی آلاییده با کروم………………………………………………………………………………. 47

شکل ( 3-4 ) : ساختار نواری با قطبش اسپینی برای نمونه سولفیدروی آلاییده با 25% منگنز ،الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

شکل ( 3-5 ) : نمودار چگالی کلی حالات سولفیدروی آلاییده آن با 25% منگنز(ZnS:Mn) ………………………………………… 49

شکل ( 3-6 ) : ساختار نواری با قطبش اسپینی برای نمونهZnS:Fe ، الف) اسپین پایین ،ب) اسپین پایین بالا …………… 50

شکل ( 3-7 ) : نمودار چگالی حالات کلی و جزئی سولفیدروی آلاییده با 25% آهن(ZnS:Fe) …………………………………….. 51

شکل ( 3-8 ) : مقایسه گاف نواری (ب) و ثابت شبکه (الف) نمونه آلاییده سولفیدروی برحسب نوع ناخالصی ……………… 52

 

شکل( 3-9 ) : مقایسه فاز فرومغناطیس و آنتی فرومغناطیس برای سولفیدروی آلاییده با فلزات واسطه  (V, Cr, Mn , Fe, Co, Ni)        …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 53

شکل( 3-10 ) : طیفXRD نمونه های ZnS:Cr……………………………………………………………………………………………………………… 55

شکل( 3-11 ) : ثابت شبکه بر حسب درصد ناخالصی های  نمونه های ZnS:Cr …………………………………………………………. 55

شکل ( 3-12 ) : طیف جذبی نمونه های خالص و  آلاییده با کروم…………………………………………………………………………………… 56

شکل( 3-13 ) : نمودار تغییرات گاف نواری نمونه های آلاییده در مقایسه با نمونه خالص سولفیدروی …………………………. 56

شکل ( 3-14 ) : طیف XRD نمونه های ZnS:Fe  ………………………………………………………………………………………………………… 57

شکل( 3-15 ) : طیف جذبی نمونه های ZnS:Fe مطالعه شده  ………………………………………………………………………………………. 58

شکل ( 3-16 ) : حلقه پسماند نمونه های ZnS:Fe با درصدهای آلایش متفاوت …………………………………………………………… 59

شکل ( 3-17 ) : طیف XRD نمونه ZnS:Mn  ……………………………………………………………………………………………………………….. 60

شکل ( 3-18 ) : طیف های XRD ثبت شده برای نمونه های سولفیدروی خالص و آلاییده با 03/0% منگنز و کروم ….. 61

شکل ( 3-19 ) : حلقه پسماند نمونه های خالص و آلاییده سولفیدروی  …………………………………………………………………………. 62

فصل چهارم

شکل ( 4-1 ) : تغییرات انرژی کل برحسب حجم در نمونه ZnS خالص ………………………………………………………………………… 69

شکل ( 4-2 ) : تغییرات انرژی کل برحسب حجم در نمونه سولفیدروی آلاییده با 25% کروم ……………………………………….. 69

شکل (4-3) : تغییرات انرژی کل برحسب حجم در نمونه سولفیدروی آلاییده با 25% منگنز …………………………………………. 70

شکل ( 4-4 ) : ساختارنواری نمونه خالص ZnS  ……………………………………………………………………………………………………………… 75

شکل ( 4-5 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Cr(6.25%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 76

شکل (4-6) : ساختارنواری نمونه ZnS:Cr(12.5%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA ، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 76

شکل ( 4-7 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Cr(25%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا . ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 77

 

شکل (4-8) : ساختارنواری نمونه ZnS:Cr(25%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریبEECE، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 77

شکل( 4-9 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Fe(6.25%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA ، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 78

شکل( 4-10 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Fe(6.25%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریبEECE ، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 78

یک مطلب دیگر :

شکل ( 4-11 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Fe(12.5%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA ، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 79

شکل ( 4-12 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Fe(12.5%) در فازآنتی فرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA ……………. 79

شکل ( 4-13) : ساختارنواری نمونه ZnS:Fe(25%) در فازفرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA ، الف) اسپین پایین ، ب) اسپین بالا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 80

شکل ( 4-14) : ساختارنواری نمونه ZnS:Mn(6.25%) در فازآنتی فرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA  …………… 80

شکل ( 4-15 ) : ساختارنواری نمونه ZnS:Mn(12.5%) در فازآنتی فرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA……………. 81

شکل ( 4 -16) : ساختارنواری نمونه ZnS:Mn(25%) در فازآنتی فرومغناطیس با استفاده از تقریب GGA……………….. 81

شکل (4 -17) : ساختارنواری نمونه ZnS:Mn(25%) در فازآنتی فرومغناطیس با استفاده از تقریبEECE………………… 81

شکل ( 4-18) : چگالی حالات کلی محاسبه شده برای سولفیدروی خالص …………………………………………………………………….. 83

شکل ( 4-19 ) : چگالی حالات کلی سولفیدروی (اسپین بالا) و چگالی حالت های جزئی اوربیتال های s و p اتم روی  ….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 84

شکل ( 4-20 ) : چگالی حالات کلی سولفیدروی (اسپین بالا) وهمچنین چگالی حالت های جزئی مربوط به اوربیتال s وp اتم سولفور ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 85

شکل( 4-21 ) : چگالی حالت های کلی و جزئی سولفیدروی آلاییده با 25% اتم کروم الف) اوربیتال s ،ب) اوربیتال p ،ج) اوربیتال d اتم کروم . به منظور مقایسه سهم هر یک از اوربیتال ها در چگالی حالت های کل ، چگالی حالت کل نیز در این شکل هانمایش داده شده است ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 88

شکل( 4-22 ) : چگالی حالت های کلی  و جزئی نمونه سولفیدروی آلاییده با کروم الف) با آلایش 25/6% ب) با آلایش 5/12%  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 88

شکل( 4-23 ) : چگالی حالت های کلی و جزئی نمونه :Cr(25%) ZnS ، الف) با استفاده از تقریب GGA ، ب) با استفاده از تقریب EECE  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 89

شکل(4-24) : چگالی حالت های کلی و   جزئی نمونه های سولفیدروی آلاییده با منگنز الف) با آلایش 25/6 % ،ب) با آلایش 5/12% ،ج) با آلایش 25% که با استفاده از تقریب GGA محاسبه شده اند ، د) ج) با آلایش 25% با استفاده از تقریب EECE محاسبه شده است ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 92

شکل(4-25) : چگالی حالت های کلی و   جزئی نمونه های سولفیدروی آلاییده با آهن الف) با آلایش 25/6 % ،ب) با آلایش 5/12% در فاز آنتی فرومغناطیس ،ج) با آلایش 5/12% در فاز فرومغناطیس ، د) با آلایش 25% از اتم آهن ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 95

 

فهرست جداول

فصل اول

جدول (1-1) : مقادیر گاف نواری و ثابت شبکه برخی ترکیبات گروه II-VI  …………………………………………………………………….. 3

فصل سوم

جدول (3-1) : مقادیر ثابت های شبکه و گاف های نواری گزارش شده در کارهای دیگران ……………………………………………. 44

جدول (3-2) : ثابت شبکه و گاف نواری با استفاده از تقریب GGA و LDA ………………………………………………………………… 45

جدول ( 3-3 ) : مقادیر ثابت شبکه محاسبه شده برای درصدهای آلایش متفاوت آهن ………………………………………………….. 57

جدول ( 3-4 ) : مقادیر گاف نواری بدست آمده برای درصدهای آلایش متفاوت آهن …………………………………………………….. 58

جدول ( 3-5 ) : مقادیر ثابت شبکه برای نمونه های خالص و آلاییده سولفیدروی با منگنز و کروم ……………………………….. 61

فصل چهارم

جدول ( 4- 1) : مقادیر شعاع مافین تین برای اتم های Zn ، S ، Cr ، Mn و Fe در هر یک از ترکیبات …………………… 65

جدول ( 4-2 ) : مقادیر شعاع یونی عناصر شرکت کننده در نمونه های آلاییده سولفیدروی ………………………………………….. 67

جدول ( 4-3 ): مقادیر ثابت های شبکه بدست آمده برای نمونه خالص و آلاییده با درصدهای ناخالصی متفاوت کروم ، آهن و منگنز ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 68

جدول (4-4): انرژی کل سیستم ZnS:TM در فازهای مغناطیسی مختلف در تقریب GGA………………………………………… 72

جدول (4-5): انرژی کل سیستم ZnS:TM در فازهای مغناطیسی مختلف در تقریب EECE ……………………………………… 72

جدول (4-6): مقایسه انرژی کل حالت پایه سیستم ZnS:TM در فازهای مغناطیسی مختلف  در تقریب GGA…………. 73

جدول (4-7): مقایسه انرژی کل حالت پایه سیستم ZnS:TM در فازهای مغناطیسی مختلف  در تقریب EECE……….. 73

جدول (4-8) : مقادیر گاف نواری در فاز پایدار حالت پایه ZnS:TM ……………………………………………………………………………… 82

جدول (4-9) : گشتاورمغناطیسی سولفیدروی آلاییده با یون های مغناطیسی آهن ، کروم و منگنز ……………………………… 97

 

فصل اول

مقدمه

 

1-1 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[1]

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 .

جدول (1-1) : مقادیر گاف نواری و ثابت شبکه برخی ترکیبات گروه II-VI ]1[

 

 

 

 

 

 

 

 

نمونه	ثابت شبکه(  )	گاف نواری (eV)
ZnS	41/5	68/3
ZnSe	67/5	7/2