【DFT案例】第一性原理如何计算磁性结构的几何和电子性质

计算思路解析：实验与第一性原理相结合，研究了SiC不同H诱导缺陷的几何性质和电子性质。

研究背景

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。

计算内容

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。

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)。

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。

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.