計(jì)算思路解析：實(shí)驗(yàn)與第一性原理相結(jié)合，研究了SiC不同H誘導(dǎo)缺陷的幾何性質(zhì)和電子性質(zhì)。

研究背景

SiC被氫輻射之后會產(chǎn)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(diǎn)等。

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研究發(fā)現(xiàn)，用H持續(xù)輻射SiC，SiC中缺陷數(shù)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(fù)雜的，它們之間的相互作用可能會改變?nèi)毕萏卣?/span>。

計(jì)算內(nèi)容

作者通過第一性原理，采用MedeA-VASP模塊系統(tǒng)地研究了SiC含不同氫誘導(dǎo)缺陷體系的磁性。

作者采用MedeA-VASP模塊對SiC進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

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圖1，H原子在SiC晶胞A、B、D三處插入。對于單個(gè)H原子的插入結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后，C和Si原子向相反方向移動(dòng)，一個(gè)C-Si鍵斷開，形成一個(gè)C-H鍵，這種氫誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

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圖1(b)-(f)結(jié)構(gòu)均在Si₉₆C₉₆中插入一個(gè)H₂分子，圖1(b)-(d)經(jīng)過優(yōu)化后，這三種結(jié)構(gòu)均沒有磁性。圖1(e)和(f)這兩種結(jié)構(gòu)均有磁性。

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圖1??SiC中H誘導(dǎo)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(gè)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)。

電子結(jié)構(gòu)

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作者采用MedeA-VASP計(jì)算了H插入到SiC不同位置結(jié)構(gòu)的態(tài)密度（DOS）和能帶結(jié)構(gòu)，如圖2。

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圖2?(a)為HSi₄₈C₄₈能帶結(jié)構(gòu)，沒有考慮自旋極化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)能帶處于導(dǎo)帶最低處下方約0.2?eV。

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圖2?(b)為考慮自旋極化的HSi₄₈C₄₈能帶結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)能帶分裂成兩個(gè)能級，一個(gè)位于費(fèi)米能級下方，一個(gè)位于上方。計(jì)算結(jié)果表明孤立H缺陷是一個(gè)磁性缺陷，磁距為1μB。隨后作者又計(jì)算了HSi₄₈C₄₈的DOS，見圖2(c)，費(fèi)米能級處的最高峰可以解釋磁性的來源。

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圖2??SiC中有1個(gè)H誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)：(a)未考慮自旋極化的能帶結(jié)構(gòu)，(b)?考慮自旋極化的能帶結(jié)構(gòu)，(c)?DOS圖。

作者又研究了SiC中含1個(gè)H誘導(dǎo)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(fā)現(xiàn)如果2個(gè)H誘導(dǎo)缺陷距離在0.930?nm之內(nèi)，它們的自旋電子將會重疊并相互作用。

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圖3??SiC中含一個(gè)H誘導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)的自旋密度圖(0.008?eV/A3)。每個(gè)缺陷周圍等值面直徑約是0.930?nm。Si原子是藍(lán)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(jié)構(gòu)，與圖2(b)相似，這說明2個(gè)H缺陷和1個(gè)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(tài)相同，磁距抵消。圖4(b)，H₂Si₉₆C₉₆（2個(gè)H間隔1.238?nm）有4個(gè)能帶：2個(gè)處于費(fèi)米能級下方，另外2個(gè)位于上方。此結(jié)構(gòu)有磁性，磁距為2μB。

研究發(fā)現(xiàn)，2個(gè)H缺陷（距離為1.238?nm）之間的相互作用很弱。

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圖4??含2個(gè)H誘導(dǎo)缺陷SiC能帶結(jié)構(gòu)，(a)?2個(gè)H距離最近?(b)?2個(gè)H距離最遠(yuǎn)。

MedeA-VASP

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