應(yīng)變調(diào)控下過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的電子與磁學(xué)特性解析一、引言1.1研究背景與意義在半導(dǎo)體材料的龐大體系中，GaSb作為一種III-V族化合物半導(dǎo)體，憑借其獨(dú)特的性質(zhì)在現(xiàn)代電子器件領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。從晶體結(jié)構(gòu)來(lái)看，GaSb屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了它許多優(yōu)異的物理性質(zhì)。其禁帶寬度為0.725eV（300K），這一數(shù)值使得GaSb在紅外光電子器件方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，因?yàn)樵摻麕挾扰c近紅外波段的光譜匹配度較高，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外光的響應(yīng)和處理。與此同時(shí)，GaSb的晶格常數(shù)為0.60959nm，這一參數(shù)使得它能夠與各種三元、四元的Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)良好的晶格匹配，故而常被用作半導(dǎo)體襯底材料，為眾多復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在紅外探測(cè)、激光器、二極管及熱光伏電池等關(guān)鍵領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在紅外探測(cè)領(lǐng)域，GaSb基多元超晶格材料光電子設(shè)備表現(xiàn)出與傳統(tǒng)紅外探測(cè)器材料HgCdTe等價(jià)的截止波長(zhǎng)，但卻可以在更低的暗電流和更高的溫度條件下穩(wěn)定工作，大大提升了紅外探測(cè)的效率和可靠性，使其在軍事偵察、夜視系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用；在激光器方面，基于GaSb材料制作的激光器能夠?qū)崿F(xiàn)特定波長(zhǎng)的激光輸出，滿(mǎn)足光通信、材料加工等領(lǐng)域?qū)τ诓煌ㄩL(zhǎng)激光的需求；而在二極管和熱光伏電池中，GaSb憑借其良好的電學(xué)性能和光學(xué)性能，有助于提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低功耗，為能源領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。然而，本征GaSb半導(dǎo)體也存在一定的局限性。雖然它在近紅外波段表現(xiàn)出色，但對(duì)于中遠(yuǎn)紅外波段的光子吸收利用能力不足，這在很大程度上限制了其在更廣泛紅外領(lǐng)域的深入發(fā)展與應(yīng)用。為了突破這一限制，通過(guò)摻雜等手段對(duì)半導(dǎo)體性能進(jìn)行調(diào)控成為了近年來(lái)科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。理論計(jì)算和大量實(shí)驗(yàn)研究表明，摻雜其他元素能夠改變半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)。以GaSb為例，通過(guò)摻雜過(guò)渡族金屬，可在GaSb中引入額外的電子或空穴。這些額外的載流子會(huì)改變材料內(nèi)部的電荷分布和電子云狀態(tài)，進(jìn)而改變其電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)，為拓展GaSb的應(yīng)用范圍提供了可能。比如，較高濃度的3d過(guò)渡族金屬元素V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的摻雜可以降低GaSb的有效帶隙，使得材料能夠吸收更寬波長(zhǎng)范圍的光子，增強(qiáng)了對(duì)紅外光的吸收能力，這對(duì)于提升紅外探測(cè)器的探測(cè)范圍和靈敏度具有重要意義。除了摻雜，應(yīng)變也是一種強(qiáng)大的材料性能調(diào)控手段。從微觀角度來(lái)看，應(yīng)變會(huì)直接作用于材料的晶格，導(dǎo)致晶格常數(shù)和晶胞體積發(fā)生改變。這種改變會(huì)進(jìn)一步對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)的調(diào)控。以壓應(yīng)變?yōu)槔?，?dāng)GaSb材料受到壓應(yīng)變時(shí)，晶格參數(shù)減小，電子的運(yùn)動(dòng)空間和相互作用發(fā)生變化，進(jìn)而改變電子能帶結(jié)構(gòu)。在摻雜GaSb材料中，應(yīng)變與摻雜的協(xié)同作用更加復(fù)雜且有趣。應(yīng)變可以改變摻雜原子的周?chē)Ц窠Y(jié)構(gòu)，影響摻雜過(guò)渡族金屬的自旋軌道耦合，還能改變材料的電荷密度，影響電子-電子相互作用，進(jìn)而對(duì)原子的磁性產(chǎn)生影響。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，這種通過(guò)應(yīng)變和摻雜對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的調(diào)控效果，使得過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料有望用于制造新型的自旋電子器件，如自旋晶體管、磁性存儲(chǔ)器等，這些器件具有更快的運(yùn)算速度、更低的能耗和更高的存儲(chǔ)密度，將為信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的突破。研究應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響具有多方面的重要意義。在學(xué)術(shù)研究層面，這一研究有助于深入揭示半導(dǎo)體材料中應(yīng)變、摻雜與電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和作用機(jī)制，為半導(dǎo)體物理理論的發(fā)展提供新的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)，豐富和完善半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研究體系。從應(yīng)用發(fā)展角度而言，通過(guò)深入了解這種影響，能夠?yàn)樾滦桶雽?dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供精準(zhǔn)的理論指導(dǎo)。基于這些研究成果，可以有針對(duì)性地優(yōu)化材料性能，制造出具有更優(yōu)電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能的半導(dǎo)體器件，滿(mǎn)足不同領(lǐng)域?qū)Ω咝阅馨雽?dǎo)體器件的需求，推動(dòng)紅外探測(cè)、自旋電子學(xué)、光通信等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域，過(guò)渡族金屬摻雜GaSb以及應(yīng)變對(duì)其性質(zhì)的影響一直是研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度展開(kāi)了廣泛而深入的探索。國(guó)外方面，早在[具體年份1]，[國(guó)外學(xué)者1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，研究了過(guò)渡族金屬Fe摻雜對(duì)GaSb電學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)Fe的摻入改變了GaSb的載流子濃度和遷移率，初步揭示了摻雜與電學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。隨著研究的深入，[國(guó)外學(xué)者2]在[具體年份2]運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)Cr摻雜GaSb的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析，詳細(xì)闡述了摻雜后體系電子態(tài)密度的變化情況，為理解摻雜對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制提供了理論依據(jù)。在應(yīng)變研究方面，[國(guó)外學(xué)者3]于[具體年份3]利用分子束外延技術(shù)制備了不同應(yīng)變狀態(tài)下的GaSb薄膜，并通過(guò)X射線(xiàn)衍射等手段研究了應(yīng)變對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變可以有效調(diào)控GaSb的光學(xué)帶隙。國(guó)內(nèi)的研究同樣成果豐碩。[國(guó)內(nèi)學(xué)者1]在[具體年份4]采用化學(xué)氣相沉積法制備了過(guò)渡族金屬M(fèi)n摻雜的GaSb材料，并通過(guò)磁性測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，研究了其磁學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Mn摻雜使得GaSb展現(xiàn)出一定的鐵磁性，為GaSb在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。[國(guó)內(nèi)學(xué)者2]在[具體年份5]基于密度泛函理論，系統(tǒng)研究了應(yīng)變對(duì)Mo摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變可以改變Mo摻雜GaSb的自旋態(tài)和磁耦合強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)高居里溫度的稀磁半導(dǎo)體提供了新的思路。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb以及應(yīng)變對(duì)其影響的研究上取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在摻雜研究方面，目前對(duì)于不同過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的協(xié)同效應(yīng)研究較少，多種過(guò)渡族金屬同時(shí)摻雜時(shí)，各元素之間的相互作用以及對(duì)材料整體性質(zhì)的綜合影響尚不明晰。而且，摻雜濃度對(duì)材料性質(zhì)的影響規(guī)律研究還不夠系統(tǒng)全面，不同摻雜濃度下材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能變化的深入研究還有待加強(qiáng)。在應(yīng)變研究領(lǐng)域，應(yīng)變與摻雜的協(xié)同作用機(jī)制研究還不夠深入，如何精確控制應(yīng)變和摻雜的程度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。此外，目前的研究大多集中在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室制備階段，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際器件制備的工藝技術(shù)還不夠成熟，從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化過(guò)程中還面臨諸多挑戰(zhàn)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法為深入探究應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響，本研究將綜合運(yùn)用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究等多種方法，從多個(gè)維度展開(kāi)系統(tǒng)研究。在理論計(jì)算方面，主要采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法，這是研究材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要理論手段。通過(guò)使用MaterialsStudio等專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，構(gòu)建合理的過(guò)渡族金屬摻雜GaSb超晶胞模型。在模型構(gòu)建過(guò)程中，充分考慮不同過(guò)渡族金屬（如V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等）的摻雜位置（替代Ga原子或Sb原子）以及不同的摻雜濃度，以全面研究摻雜對(duì)體系的影響。對(duì)電子-電子相互作用采用廣義梯度近似（GGA）進(jìn)行描述，精確計(jì)算體系的總能量、電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵電子結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)，引入應(yīng)變條件，通過(guò)改變晶格常數(shù)來(lái)模擬不同程度的壓應(yīng)變和拉應(yīng)變，深入分析應(yīng)變作用下體系電子結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，探究應(yīng)變?nèi)绾斡绊戨娮拥姆植?、能?jí)的移動(dòng)以及能帶的展寬或收縮等。在實(shí)驗(yàn)研究層面，首先利用分子束外延（MBE）技術(shù)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，制備高質(zhì)量的過(guò)渡族金屬摻雜GaSb薄膜材料。在制備過(guò)程中，精確控制過(guò)渡族金屬的摻雜種類(lèi)、濃度以及生長(zhǎng)條件，以獲得具有不同摻雜特性的樣品。采用X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)，對(duì)制備的薄膜進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，精確測(cè)定晶格常數(shù)和晶體取向，從而確定樣品的應(yīng)變狀態(tài)。運(yùn)用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析樣品的化學(xué)成分和元素價(jià)態(tài)，明確過(guò)渡族金屬在GaSb中的存在形式和化學(xué)環(huán)境。通過(guò)超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）測(cè)量樣品的磁學(xué)性質(zhì)，包括磁化強(qiáng)度隨溫度和磁場(chǎng)的變化關(guān)系，獲取居里溫度、飽和磁化強(qiáng)度等重要磁學(xué)參數(shù)。利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）進(jìn)一步研究樣品在不同磁場(chǎng)下的磁滯回線(xiàn)，深入分析材料的磁各向異性和磁耦合特性。本研究還將注重理論與實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證和結(jié)合。將第一性原理計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)理論結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)從理論角度解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的微觀機(jī)制。當(dāng)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異時(shí)，深入探討原因，進(jìn)一步優(yōu)化理論模型或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該體系更深入、準(zhǔn)確的理解。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，全面揭示應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，為新型半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。二、相關(guān)理論與研究方法2.1密度泛函理論密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是一種在量子力學(xué)框架下，專(zhuān)門(mén)用于研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的重要理論方法，在材料科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛且深入的應(yīng)用，是探究材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的核心理論工具之一。該理論的核心思想是將電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函。傳統(tǒng)的量子力學(xué)方法，如Hartree-Fock方法，主要基于復(fù)雜的多電子波函數(shù)來(lái)描述電子體系，然而多電子波函數(shù)包含3N個(gè)變量（N為電子數(shù)，每個(gè)電子包含三個(gè)空間變量），這使得計(jì)算過(guò)程極為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中面臨巨大挑戰(zhàn)。而密度泛函理論另辟蹊徑，以電子密度作為研究的基本量，電子密度僅是三個(gè)空間變量的函數(shù)，極大地簡(jiǎn)化了問(wèn)題的處理難度。密度泛函理論的建立基于兩個(gè)重要的Hohenberg-Kohn定理。Hohenberg-Kohn第一定理指出，對(duì)于一個(gè)處在外部靜電勢(shì)中的多電子體系，其基態(tài)能量是電子密度的唯一泛函，即體系的基態(tài)性質(zhì)完全由電子密度決定。這一定理從理論上確立了電子密度在描述體系性質(zhì)中的關(guān)鍵地位，為密度泛函理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Hohenberg-Kohn第二定理進(jìn)一步證明，通過(guò)將體系能量對(duì)基態(tài)密度進(jìn)行變分最小化，就能夠得到體系的基態(tài)能量，為求解基態(tài)能量提供了可行的途徑。在實(shí)際應(yīng)用中，密度泛函理論最常用的實(shí)現(xiàn)方式是Kohn-Sham方法。該方法將復(fù)雜的多體問(wèn)題簡(jiǎn)化為一系列單電子在有效勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，多電子體系中由于電子相互作用而產(chǎn)生的交換能和相關(guān)能被整合到一個(gè)有效勢(shì)中，這個(gè)有效勢(shì)不僅包含了外部勢(shì)場(chǎng)，還涵蓋了電子間庫(kù)侖相互作用的影響，從而將多電子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的單電子問(wèn)題進(jìn)行求解。具體而言，Kohn-Sham方程可表示為：\left[-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2+V_{ext}(\vec{r})+V_{H}(\vec{r})+V_{xc}(\vec{r})\right]\psi_{i}(\vec{r})=\epsilon_{i}\psi_{i}(\vec{r})其中，\psi_{i}(\vec{r})是第i個(gè)單電子波函數(shù)，\epsilon_{i}是對(duì)應(yīng)的本征能量，V_{ext}(\vec{r})是外部勢(shì)場(chǎng)，V_{H}(\vec{r})是Hartree勢(shì)，描述電子-電子間的經(jīng)典庫(kù)侖相互作用，V_{xc}(\vec{r})是交換-相關(guān)勢(shì)，它反映了電子之間的量子力學(xué)交換和相關(guān)效應(yīng)，是密度泛函理論中最難精確描述的部分。在計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)時(shí)，密度泛函理論展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。從計(jì)算效率角度來(lái)看，相較于基于多電子波函數(shù)的傳統(tǒng)方法，它在處理多電子體系時(shí)具有更高的計(jì)算效率，能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)復(fù)雜體系的計(jì)算，這使得研究大規(guī)模材料體系成為可能。從適用范圍方面來(lái)說(shuō)，密度泛函理論的應(yīng)用范圍極為廣泛，可用于研究原子、分子、固體、表面等不同尺度和維度的體系，無(wú)論是簡(jiǎn)單的單質(zhì)材料，還是復(fù)雜的化合物、復(fù)合材料，都能運(yùn)用該理論進(jìn)行深入分析。而且該理論還具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力，能夠在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)材料的各種性質(zhì)，如電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行預(yù)測(cè)，為實(shí)驗(yàn)研究提供重要的理論指導(dǎo)，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，加速了新材料的研發(fā)進(jìn)程。例如，在新型半導(dǎo)體材料的研發(fā)中，通過(guò)密度泛函理論計(jì)算，可以預(yù)先篩選出具有潛在優(yōu)良性能的材料體系，再針對(duì)性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備和測(cè)試，提高了研發(fā)的成功率和效率。2.2第一性原理計(jì)算方法本研究主要運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，借助MaterialsStudio軟件中的CASTEP模塊開(kāi)展相關(guān)計(jì)算工作。CASTEP是一款基于密度泛函理論的從頭算量子力學(xué)程序，采用平面波贗勢(shì)方法進(jìn)行第一原理量子力學(xué)計(jì)算，能夠深入探索材料的晶體和表面性質(zhì)，在半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、礦物和沸石等材料研究領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在計(jì)算過(guò)程中，平面波基組的選取至關(guān)重要。平面波基組通過(guò)將波函數(shù)展開(kāi)為平面波的線(xiàn)性組合來(lái)描述電子結(jié)構(gòu)，其截?cái)嗄芰浚‥cut-off）是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了參與計(jì)算的平面波數(shù)量，進(jìn)而影響計(jì)算的精度和效率。截?cái)嗄芰窟^(guò)低，會(huì)導(dǎo)致基組不完整，無(wú)法準(zhǔn)確描述電子的行為，使得計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；而截?cái)嗄芰窟^(guò)高，雖然能提高計(jì)算精度，但會(huì)顯著增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。在本研究中，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和驗(yàn)證，選取了[具體截?cái)嗄芰繑?shù)值]eV作為平面波基組的截?cái)嗄芰浚源嗽诒ＷC計(jì)算精度的前提下，盡可能提高計(jì)算效率。對(duì)于交換關(guān)聯(lián)泛函，本研究選用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函。交換關(guān)聯(lián)泛函用于描述電子之間的交換和相關(guān)作用，是密度泛函理論中核心且復(fù)雜的部分。不同的交換關(guān)聯(lián)泛函對(duì)計(jì)算結(jié)果有著顯著影響，局域密度近似（LDA）雖然計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于一些體系的描述存在局限性，例如會(huì)低估分子的鍵長(zhǎng)或鍵能，以及晶體的晶格參數(shù)。而GGA考慮了電子密度的梯度變化，在描述分子體系和非均勻材料時(shí)具有更高的精度，能夠更準(zhǔn)確地反映電子之間的相互作用，為研究應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響提供更可靠的理論依據(jù)。自洽場(chǎng)迭代是求解Kohn-Sham方程的核心過(guò)程，其目的是通過(guò)不斷迭代，使體系的電子密度和能量達(dá)到自洽收斂狀態(tài)。在自洽場(chǎng)迭代過(guò)程中，首先給定一個(gè)初始的電子密度分布，然后根據(jù)Kohn-Sham方程計(jì)算出相應(yīng)的哈密頓量，進(jìn)而求解出單電子波函數(shù)和本征能量。利用這些波函數(shù)重新計(jì)算電子密度，與上一次迭代得到的電子密度進(jìn)行比較，如果兩者之間的差異滿(mǎn)足設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為體系達(dá)到了自洽狀態(tài)，迭代結(jié)束；否則，以新計(jì)算得到的電子密度作為下一次迭代的初始值，繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。在本研究中，設(shè)置了嚴(yán)格的收斂標(biāo)準(zhǔn)，如能量收斂精度為[具體能量收斂精度數(shù)值]eV/atom，最大力收斂精度為[具體力收斂精度數(shù)值]N/m，最大位移收斂精度為[具體位移收斂精度數(shù)值]?，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。只有當(dāng)體系的能量、力和位移等參數(shù)在連續(xù)的迭代過(guò)程中變化極小，滿(mǎn)足上述收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才能認(rèn)為計(jì)算結(jié)果達(dá)到了穩(wěn)定的自洽狀態(tài)，所得到的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)等結(jié)果才具有可信度。2.3實(shí)驗(yàn)研究方法在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，樣品的制備是至關(guān)重要的第一步，本研究選用分子束外延（MBE）技術(shù)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)來(lái)制備過(guò)渡族金屬摻雜GaSb薄膜材料。分子束外延技術(shù)是在超高真空環(huán)境下，將組成化合物的各個(gè)元素的原子或分子束蒸發(fā)出來(lái)，然后精確控制它們的蒸發(fā)速率和方向，使其在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的襯底表面逐層生長(zhǎng)。在制備過(guò)渡族金屬摻雜GaSb薄膜時(shí)，以Ga、Sb以及過(guò)渡族金屬（如V、Cr、Mn等）作為源材料。首先對(duì)GaSb襯底進(jìn)行高溫退火處理，去除表面的雜質(zhì)和氧化物，以確保襯底表面原子級(jí)平整且清潔，為后續(xù)薄膜生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)反射式高能電子衍射（RHEED）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的生長(zhǎng)情況，根據(jù)RHEED圖案的變化，精確控制各原子束的流量和生長(zhǎng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)層數(shù)和摻雜濃度的精準(zhǔn)調(diào)控，制備出高質(zhì)量、原子級(jí)精確控制的過(guò)渡族金屬摻雜GaSb薄膜。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)則是利用氣態(tài)的金屬有機(jī)化合物（如三甲基鎵（TMGa）、三甲基銦（TMIn）等）和氫化物（如砷化氫（AsH?）、磷化氫（PH?）等）作為源材料，在高溫和催化劑的作用下，這些氣態(tài)源材料在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出的原子在襯底表面沉積并反應(yīng)生成化合物薄膜。在制備過(guò)程中，將襯底放入反應(yīng)室，反應(yīng)室的溫度通?？刂圃赱具體溫度數(shù)值]℃左右，以確保源材料能夠充分分解和反應(yīng)。精確控制金屬有機(jī)化合物和氫化物的流量比，從而控制薄膜中各元素的組成比例和過(guò)渡族金屬的摻雜濃度。通過(guò)調(diào)節(jié)載氣（如氫氣、氮?dú)獾龋┑牧髁亢蛪毫?，?yōu)化反應(yīng)室內(nèi)的氣體分布和擴(kuò)散速率，保證薄膜生長(zhǎng)的均勻性和質(zhì)量。制備完成后，需對(duì)樣品進(jìn)行全面表征，以獲取其晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和磁學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵信息。采用X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。XRD利用X射線(xiàn)與晶體中原子的相互作用，當(dāng)X射線(xiàn)照射到樣品上時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，根據(jù)衍射峰的位置、強(qiáng)度和寬度等信息，可以精確測(cè)定樣品的晶格常數(shù)、晶體取向以及是否存在雜質(zhì)相和應(yīng)變狀態(tài)等。使用高分辨率X射線(xiàn)衍射儀，以CuKα輻射（波長(zhǎng)為1.5406?）作為入射X射線(xiàn)，掃描范圍設(shè)定為2θ從[起始角度數(shù)值]°到[終止角度數(shù)值]°，掃描步長(zhǎng)為[步長(zhǎng)數(shù)值]°，通過(guò)對(duì)XRD圖譜的分析，能夠準(zhǔn)確判斷過(guò)渡族金屬摻雜對(duì)GaSb晶格結(jié)構(gòu)的影響，以及應(yīng)變狀態(tài)下晶格參數(shù)的變化情況。運(yùn)用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析樣品的化學(xué)成分和元素價(jià)態(tài)。XPS是基于光電效應(yīng)原理，當(dāng)樣品受到X射線(xiàn)照射時(shí)，原子內(nèi)層電子會(huì)被激發(fā)出來(lái)，測(cè)量這些光電子的能量分布，可以確定樣品表面元素的種類(lèi)、化學(xué)狀態(tài)和相對(duì)含量。在測(cè)試過(guò)程中，采用AlKαX射線(xiàn)源（能量為1486.6eV），以污染碳（C1s結(jié)合能為284.8eV）作為能量校正標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣品表面進(jìn)行全譜掃描和高分辨掃描。通過(guò)對(duì)XPS譜圖中各元素特征峰的分析，明確過(guò)渡族金屬在GaSb中的存在形式和化學(xué)環(huán)境，例如判斷過(guò)渡族金屬是以離子態(tài)還是金屬態(tài)存在，以及其與GaSb中其他元素之間的化學(xué)鍵合情況。利用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）測(cè)量樣品的磁學(xué)性質(zhì)，SQUID具有極高的磁靈敏度，能夠精確測(cè)量微小的磁信號(hào)。在測(cè)量過(guò)程中，將樣品置于SQUID的探測(cè)線(xiàn)圈中，通過(guò)改變外加磁場(chǎng)的大小和方向，測(cè)量樣品的磁化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系（M-H曲線(xiàn)），從而獲取樣品的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等重要磁學(xué)參數(shù)。同時(shí)，在不同溫度下測(cè)量樣品的磁化強(qiáng)度，得到磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線(xiàn)（M-T曲線(xiàn)），進(jìn)而確定樣品的居里溫度等磁學(xué)特性，深入研究應(yīng)變和過(guò)渡族金屬摻雜對(duì)GaSb磁學(xué)性質(zhì)的影響。借助振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）進(jìn)一步研究樣品的磁各向異性和磁耦合特性。VSM通過(guò)測(cè)量樣品在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，來(lái)確定樣品的磁化強(qiáng)度。在不同方向上施加外磁場(chǎng)，測(cè)量樣品的磁化強(qiáng)度，從而得到樣品的磁各向異性曲線(xiàn)，分析材料在不同方向上的磁性能差異。通過(guò)對(duì)不同摻雜濃度和應(yīng)變狀態(tài)下樣品的VSM測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，深入探討應(yīng)變和摻雜對(duì)磁耦合特性的影響機(jī)制，為理解材料的磁學(xué)性質(zhì)提供更全面的信息。三、應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)的影響3.1應(yīng)變對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響3.1.1晶格常數(shù)與晶胞體積變化應(yīng)變作為一種外界作用，會(huì)對(duì)GaSb材料的晶格常數(shù)和晶胞體積產(chǎn)生顯著影響。在理論計(jì)算中，通過(guò)對(duì)不同應(yīng)變狀態(tài)下的GaSb晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，能夠清晰地揭示這種變化規(guī)律。當(dāng)對(duì)GaSb施加壓應(yīng)變時(shí)，晶體內(nèi)部原子間的距離被壓縮，晶格常數(shù)隨之減小。以[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變?yōu)槔?，?jì)算結(jié)果表明，GaSb的晶格常數(shù)相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下減小了[具體減小比例數(shù)值]，這是由于壓應(yīng)變使得原子之間的排斥力增大，原子間距被迫縮短，從而導(dǎo)致晶格常數(shù)收縮。這種晶格常數(shù)的減小進(jìn)一步影響了晶胞體積，晶胞體積相應(yīng)地減小，減小幅度與晶格常數(shù)的變化密切相關(guān)，通過(guò)晶胞體積計(jì)算公式V=a^3（a為晶格常數(shù)）可以定量計(jì)算出晶胞體積的減小量。相反，當(dāng)施加拉應(yīng)變時(shí)，原子間的距離被拉大，晶格常數(shù)增大。如在[具體拉應(yīng)變數(shù)值]的拉應(yīng)變條件下，晶格常數(shù)增大了[具體增大比例數(shù)值]，晶胞體積也隨之增大，為原子的運(yùn)動(dòng)和電子的分布提供了更廣闊的空間。這種晶格常數(shù)和晶胞體積的變化并非孤立現(xiàn)象，而是與材料的電子結(jié)構(gòu)緊密相連。晶格常數(shù)的改變會(huì)直接影響原子間的電子云重疊程度，進(jìn)而改變電子的能級(jí)分布和能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶格常數(shù)減小時(shí)，原子間的電子云重疊增強(qiáng)，電子受到的束縛作用增大，能級(jí)間距發(fā)生變化，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的改變；而晶格常數(shù)增大時(shí)，電子云重疊減弱，電子的活動(dòng)范圍增大，同樣會(huì)引起能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)研究中，通過(guò)X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)可以精確測(cè)量不同應(yīng)變狀態(tài)下GaSb的晶格常數(shù)和晶胞體積。在對(duì)采用分子束外延技術(shù)制備的具有一定應(yīng)變狀態(tài)的過(guò)渡族金屬摻雜GaSb薄膜進(jìn)行XRD測(cè)試時(shí)，通過(guò)分析XRD圖譜中衍射峰的位置變化，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出晶格常數(shù)的改變量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了應(yīng)變對(duì)晶格常數(shù)和晶胞體積影響規(guī)律的正確性。這種晶格常數(shù)和晶胞體積的變化是應(yīng)變影響過(guò)渡族金屬摻雜GaSb電子結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)，為后續(xù)深入研究電子結(jié)構(gòu)的變化提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)信息。3.1.2晶格畸變與對(duì)稱(chēng)性改變應(yīng)變不僅會(huì)導(dǎo)致GaSb晶格常數(shù)和晶胞體積的變化，還會(huì)引發(fā)晶格畸變，對(duì)晶格對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)受到非均勻應(yīng)變或特定方向的應(yīng)變作用時(shí)，GaSb的晶格會(huì)發(fā)生畸變，原本規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)變得扭曲。從晶體結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，在閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaSb中，原子按照特定的周期性排列，而應(yīng)變會(huì)打破這種完美的周期性。以沿[具體晶向]方向施加應(yīng)變?yōu)槔?，該方向上的原子間距發(fā)生改變，而其他方向的原子間距變化相對(duì)較小，導(dǎo)致晶格在不同方向上的尺寸差異增大，從而使晶格產(chǎn)生畸變。這種晶格畸變會(huì)進(jìn)一步改變晶格的對(duì)稱(chēng)性。在無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下，GaSb具有立方晶系的對(duì)稱(chēng)性，空間群為F\overline{4}3m，具有高度的對(duì)稱(chēng)性。然而，當(dāng)晶格發(fā)生畸變后，對(duì)稱(chēng)性會(huì)降低。如果應(yīng)變導(dǎo)致晶格在某一方向上的伸長(zhǎng)或壓縮較為明顯，晶體可能會(huì)從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄担臻g群變?yōu)镮4/mmm，對(duì)稱(chēng)性的降低使得晶體在不同方向上的物理性質(zhì)出現(xiàn)差異，這種各向異性的變化對(duì)電子結(jié)構(gòu)有著深遠(yuǎn)的影響。由于晶格對(duì)稱(chēng)性的改變，電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，電子的波函數(shù)分布也會(huì)相應(yīng)改變。原本在立方對(duì)稱(chēng)晶格中簡(jiǎn)并的能級(jí)，在晶格對(duì)稱(chēng)性降低后可能會(huì)發(fā)生分裂，導(dǎo)致電子態(tài)密度重新分布，這對(duì)于理解過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)具有重要意義。在研究過(guò)渡族金屬摻雜體系時(shí)，晶格畸變和對(duì)稱(chēng)性改變會(huì)影響摻雜原子與周?chē)鶪aSb原子之間的相互作用，進(jìn)而影響摻雜原子的電子云分布和自旋狀態(tài)，對(duì)材料的磁學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同影響。3.2電子能帶結(jié)構(gòu)的變化3.2.1能帶位置與帶寬調(diào)整應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的電子能帶結(jié)構(gòu)有著顯著的影響，以Mo摻雜GaSb為例，這種影響在能帶位置和帶寬的調(diào)整上表現(xiàn)得尤為明顯。在未施加應(yīng)變時(shí)，Mo摻雜GaSb的電子能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的特征，價(jià)帶頂主要由Sb的5p態(tài)電子貢獻(xiàn)，導(dǎo)帶底則主要由Ga的4s態(tài)和4p態(tài)電子以及Mo的4d態(tài)電子共同構(gòu)成。當(dāng)對(duì)Mo摻雜GaSb施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間的距離縮短，電子云重疊程度增強(qiáng)。這種變化導(dǎo)致電子受到的束縛作用增大，能帶位置發(fā)生移動(dòng)。具體表現(xiàn)為價(jià)帶頂向低能量方向移動(dòng)，導(dǎo)帶底向高能量方向移動(dòng)，從而使得能帶間隙增大。通過(guò)第一性原理計(jì)算，在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，能帶間隙相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)增大了[具體增大數(shù)值]eV。這是因?yàn)閴簯?yīng)變使得原子間的相互作用增強(qiáng)，電子需要更高的能量才能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致能帶間隙增大。壓應(yīng)變還會(huì)改變能帶的帶寬。由于原子間距離的縮短，電子在原子間的跳躍更加頻繁，電子態(tài)的擴(kuò)展范圍減小，使得能帶帶寬變窄。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，導(dǎo)帶的帶寬相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)減小了[具體減小比例數(shù)值]。這種帶寬的變窄進(jìn)一步影響了電子的態(tài)密度分布，使得電子在能量空間的分布更加集中，電子的有效質(zhì)量增大，遷移率降低。相反，當(dāng)施加拉應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)增大，原子間距離增大，電子云重疊程度減弱，電子受到的束縛作用減小。此時(shí)，價(jià)帶頂向高能量方向移動(dòng)，導(dǎo)帶底向低能量方向移動(dòng)，能帶間隙減小。在[具體拉應(yīng)變數(shù)值]的拉應(yīng)變下，能帶間隙相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)減小了[具體減小數(shù)值]eV。拉應(yīng)變還會(huì)使能帶帶寬展寬，電子在原子間的跳躍變得相對(duì)困難，電子態(tài)的擴(kuò)展范圍增大，電子的有效質(zhì)量減小，遷移率增大。這種能帶位置和帶寬的變化對(duì)材料的電學(xué)性能有著重要影響。能帶間隙的改變直接影響著材料的導(dǎo)電性，較大的能帶間隙使得電子躍遷變得困難，材料表現(xiàn)出較好的絕緣性；而較小的能帶間隙則有利于電子躍遷，材料的導(dǎo)電性增強(qiáng)。能帶帶寬的變化影響著電子的遷移率，帶寬較窄時(shí)電子遷移率較低，而帶寬展寬時(shí)電子遷移率較高，這些變化為調(diào)控材料的電學(xué)性能提供了重要途徑。3.2.2能帶交叉與特殊電子態(tài)出現(xiàn)在應(yīng)變作用下，過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的電子能帶結(jié)構(gòu)還可能出現(xiàn)能帶交叉現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生特殊的電子態(tài)，這對(duì)材料的性能有著深遠(yuǎn)的潛在影響。能帶交叉是指在特定的波矢（k）點(diǎn)，原本不相交的兩個(gè)或多個(gè)能帶發(fā)生交叉，使得電子在這些能量和波矢處具有特殊的行為。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb中，應(yīng)變導(dǎo)致能帶交叉的機(jī)制較為復(fù)雜，與晶格結(jié)構(gòu)的變化以及摻雜原子與周?chē)拥南嗷プ饔妹芮邢嚓P(guān)。當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，晶格畸變會(huì)改變?cè)拥南鄬?duì)位置和電子云的分布，使得不同原子軌道之間的相互作用發(fā)生變化，從而導(dǎo)致能帶的能量和色散關(guān)系改變。在某些特定的應(yīng)變條件下，原本能量相差較大的能帶可能會(huì)逐漸靠近并發(fā)生交叉。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜和應(yīng)變條件]下，通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)帶中的某一子帶與價(jià)帶中的某一子帶在布里淵區(qū)的[具體k點(diǎn)位置]處發(fā)生了交叉。這種能帶交叉會(huì)導(dǎo)致特殊電子態(tài)的出現(xiàn)，如半金屬態(tài)。半金屬態(tài)是指材料在費(fèi)米能級(jí)處，一個(gè)自旋方向的電子表現(xiàn)出金屬性，而另一個(gè)自旋方向的電子表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb中，當(dāng)出現(xiàn)能帶交叉時(shí)，由于過(guò)渡族金屬的d電子具有未配對(duì)的自旋，可能會(huì)導(dǎo)致自旋極化，從而使材料呈現(xiàn)出半金屬態(tài)。這種半金屬態(tài)材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，可用于制造自旋過(guò)濾器、自旋注入器等器件，提高自旋電子器件的性能和效率。應(yīng)變還可能導(dǎo)致拓?fù)鋺B(tài)的出現(xiàn)。拓?fù)鋺B(tài)是一種具有特殊拓?fù)湫再|(zhì)的電子態(tài)，其電子的行為受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，具有獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb中，當(dāng)應(yīng)變引起的能帶結(jié)構(gòu)變化滿(mǎn)足特定的拓?fù)錀l件時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生拓?fù)鋺B(tài)。拓?fù)浣^緣體是一種典型的拓?fù)鋺B(tài)材料，其體內(nèi)表現(xiàn)為絕緣性，而表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的導(dǎo)電表面態(tài)。在[具體應(yīng)變和摻雜條件]下，理論計(jì)算預(yù)測(cè)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb可能出現(xiàn)拓?fù)浣^緣體相，這為開(kāi)發(fā)新型的拓?fù)淞孔悠骷峁┝死碚摶A(chǔ)。拓?fù)鋺B(tài)材料在量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望實(shí)現(xiàn)高速、低能耗的信息處理和傳輸。3.3態(tài)密度分析3.3.1總態(tài)密度與分波態(tài)密度變化態(tài)密度（DensityofStates，DOS）分析是研究材料電子結(jié)構(gòu)的重要手段，它能夠直觀地展示電子在不同能量狀態(tài)下的分布情況。通過(guò)對(duì)態(tài)密度的研究，可以深入了解材料的電子結(jié)構(gòu)特性，為解釋材料的物理性質(zhì)提供關(guān)鍵信息。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，應(yīng)變對(duì)其總態(tài)密度和分波態(tài)密度有著顯著的影響。當(dāng)對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb施加應(yīng)變時(shí)，總態(tài)密度會(huì)發(fā)生明顯變化。以[具體過(guò)渡族金屬摻雜體系，如Mn摻雜GaSb]為例，在未施加應(yīng)變時(shí)，總態(tài)密度呈現(xiàn)出特定的分布特征。在費(fèi)米能級(jí)附近，態(tài)密度相對(duì)較低，表明在該能量區(qū)域電子占據(jù)的概率較小。隨著壓應(yīng)變的增加，總態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近的分布發(fā)生改變，態(tài)密度逐漸增大。這是因?yàn)閴簯?yīng)變導(dǎo)致晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)，使得電子在費(fèi)米能級(jí)附近的能量狀態(tài)增多，從而導(dǎo)致總態(tài)密度增大。從分波態(tài)密度角度來(lái)看，過(guò)渡族金屬原子、Ga原子和Sb原子的分波態(tài)密度在應(yīng)變作用下也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。對(duì)于過(guò)渡族金屬原子，以Mn原子為例，其3d電子的分波態(tài)密度在應(yīng)變下發(fā)生顯著變化。在未施加應(yīng)變時(shí)，Mn的3d電子分波態(tài)密度在某些能量區(qū)間有特定的峰值分布，這些峰值反映了Mn原子3d電子的局域化特性。當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，Mn的3d電子分波態(tài)密度峰值位置發(fā)生移動(dòng)，且峰值強(qiáng)度也有所改變。這是由于壓應(yīng)變改變了Mn原子周?chē)木w場(chǎng)環(huán)境，使得3d電子的能級(jí)發(fā)生分裂和移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致分波態(tài)密度的變化。Ga原子的分波態(tài)密度主要由其4s和4p電子貢獻(xiàn)。在應(yīng)變作用下，Ga原子4s和4p電子的分波態(tài)密度也會(huì)發(fā)生變化。隨著壓應(yīng)變的增加，Ga原子4s和4p電子的分波態(tài)密度在某些能量區(qū)間出現(xiàn)了明顯的展寬現(xiàn)象，這意味著電子在這些能量狀態(tài)下的分布更加分散，電子的離域化程度增加。這是因?yàn)閴簯?yīng)變?cè)鰪?qiáng)了Ga原子與周?chē)又g的相互作用，使得電子的運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致分波態(tài)密度展寬。Sb原子的分波態(tài)密度主要源于其5p電子。在應(yīng)變影響下，Sb原子5p電子的分波態(tài)密度同樣發(fā)生改變。拉應(yīng)變時(shí)，Sb原子5p電子分波態(tài)密度在高能級(jí)區(qū)域的態(tài)密度有所增加，這表明在拉應(yīng)變作用下，Sb原子5p電子更容易被激發(fā)到較高的能量狀態(tài)，電子的活性增強(qiáng)。這種變化與拉應(yīng)變導(dǎo)致的晶格常數(shù)增大、原子間距離增大有關(guān)，使得電子受到的束縛作用減小，更容易躍遷到高能級(jí)。3.3.2雜質(zhì)能級(jí)的產(chǎn)生與演化在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，雜質(zhì)能級(jí)的產(chǎn)生和演化是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)有著重要影響。以Ru摻雜GaSb為例，在未施加應(yīng)變時(shí)，Ru原子的摻入在GaSb的帶隙中引入了雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的位置和性質(zhì)與Ru原子的電子結(jié)構(gòu)以及與周?chē)鶪aSb原子的相互作用密切相關(guān)。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析可知，Ru摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)位于離導(dǎo)帶底較近的位置，且具有一定的寬度，這使得電子在這些雜質(zhì)能級(jí)上具有一定的能量分布范圍。當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)的位置和寬度會(huì)發(fā)生顯著變化。在壓應(yīng)變作用下，Ru摻雜GaSb體系的雜質(zhì)能級(jí)向高能級(jí)方向移動(dòng)，且寬度變窄。這是因?yàn)閴簯?yīng)變使得晶格常數(shù)減小，Ru原子與周?chē)鶪aSb原子之間的距離縮短，原子間的相互作用增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的相互作用使得雜質(zhì)能級(jí)的能量升高，同時(shí)由于電子的束縛作用增強(qiáng)，能級(jí)的寬度變窄。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，Ru摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)相對(duì)于未施加應(yīng)變時(shí)向高能級(jí)方向移動(dòng)了[具體移動(dòng)數(shù)值]eV，寬度減小了[具體減小比例數(shù)值]。拉應(yīng)變則會(huì)使雜質(zhì)能級(jí)向低能級(jí)方向移動(dòng)，且寬度展寬。這是由于拉應(yīng)變導(dǎo)致晶格常數(shù)增大，Ru原子與周?chē)鶪aSb原子之間的距離增大，原子間的相互作用減弱。電子受到的束縛作用減小，使得雜質(zhì)能級(jí)的能量降低，同時(shí)能級(jí)的寬度展寬。在[具體拉應(yīng)變數(shù)值]的拉應(yīng)變下，雜質(zhì)能級(jí)向低能級(jí)方向移動(dòng)了[具體移動(dòng)數(shù)值]eV，寬度增大了[具體增大比例數(shù)值]。雜質(zhì)能級(jí)的這種變化對(duì)載流子濃度和遷移率有著重要影響。雜質(zhì)能級(jí)位置的移動(dòng)會(huì)改變電子躍遷的能量條件，從而影響載流子的激發(fā)和復(fù)合過(guò)程。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)向高能級(jí)移動(dòng)時(shí)，電子從價(jià)帶躍遷到雜質(zhì)能級(jí)或從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶所需的能量增加，載流子的激發(fā)變得困難，載流子濃度可能會(huì)降低；而雜質(zhì)能級(jí)向低能級(jí)移動(dòng)時(shí)，載流子的激發(fā)相對(duì)容易，載流子濃度可能會(huì)增加。雜質(zhì)能級(jí)寬度的變化會(huì)影響載流子的散射概率，進(jìn)而影響遷移率。能級(jí)寬度變窄時(shí)，電子在雜質(zhì)能級(jí)上的能量分布范圍減小，散射概率降低，遷移率增大；能級(jí)寬度展寬時(shí)，散射概率增大，遷移率降低。四、應(yīng)變對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb磁學(xué)性質(zhì)的影響4.1磁性起源與機(jī)制過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料呈現(xiàn)出磁性，其根源在于過(guò)渡族金屬原子所擁有的未配對(duì)電子自旋。在過(guò)渡族金屬中，3d或4d電子軌道未完全填滿(mǎn)，這使得電子的自旋無(wú)法完全抵消，從而產(chǎn)生了凈磁矩。以Mn摻雜GaSb為例，Mn原子的電子構(gòu)型為[Ar]3d^{5}4s^{2}，其中3d軌道上有5個(gè)未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子的自旋是材料磁性的重要來(lái)源。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，磁性耦合機(jī)制主要包括超交換相互作用和雙交換作用。超交換相互作用是通過(guò)中間的非磁性離子（如GaSb中的Sb離子）來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性原子（過(guò)渡族金屬原子）之間的間接耦合。在這種機(jī)制下，磁性原子的電子與中間離子的電子發(fā)生相互作用，從而使得相鄰磁性原子的自旋之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。在Mn摻雜GaSb中，Mn原子與周?chē)腟b原子形成化學(xué)鍵，Mn的3d電子與Sb的5p電子發(fā)生軌道雜化，通過(guò)這種雜化作用，使得不同Mn原子的自旋之間產(chǎn)生超交換相互作用。當(dāng)超交換相互作用為鐵磁耦合時(shí)，相鄰磁性原子的自旋方向趨于一致，材料表現(xiàn)出鐵磁性；當(dāng)超交換相互作用為反鐵磁耦合時(shí)，相鄰磁性原子的自旋方向相反，材料表現(xiàn)出反鐵磁性。雙交換作用則是基于電子在不同磁性原子之間的跳躍過(guò)程。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb中，當(dāng)一個(gè)磁性原子的電子通過(guò)中間離子躍遷到另一個(gè)磁性原子上時(shí)，為了滿(mǎn)足能量最低原理，電子的自旋方向會(huì)與目標(biāo)磁性原子的自旋方向保持一致，從而導(dǎo)致相鄰磁性原子的自旋發(fā)生耦合。在Fe摻雜GaSb中，F(xiàn)e原子的3d電子可以在與周?chē)鶪a和Sb原子形成的化學(xué)鍵中發(fā)生跳躍，當(dāng)Fe原子的電子躍遷到相鄰Fe原子上時(shí)，電子自旋方向會(huì)與相鄰Fe原子的自旋方向一致，通過(guò)這種雙交換作用，使得Fe原子之間產(chǎn)生鐵磁耦合。應(yīng)變對(duì)這些磁性耦合機(jī)制有著顯著的影響。應(yīng)變會(huì)改變材料的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響原子間的距離和電子云的重疊程度。當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)，超交換相互作用和雙交換作用的強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生變化。壓應(yīng)變可能會(huì)增強(qiáng)超交換相互作用中的軌道雜化程度，使得鐵磁耦合或反鐵磁耦合的強(qiáng)度增強(qiáng)；對(duì)于雙交換作用，壓應(yīng)變可能會(huì)增加電子在磁性原子之間跳躍的概率，從而改變磁性耦合的強(qiáng)度和性質(zhì)。拉應(yīng)變則會(huì)使晶格常數(shù)增大，原子間距離增大，電子云重疊減弱，同樣會(huì)對(duì)磁性耦合機(jī)制產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致磁性耦合強(qiáng)度減弱或耦合性質(zhì)發(fā)生改變。4.2應(yīng)變對(duì)磁矩的影響4.2.1局域磁矩與總磁矩變化以Cr摻雜GaSb體系為研究對(duì)象，深入分析壓應(yīng)變對(duì)其局域磁矩和總磁矩的影響，能夠揭示晶格畸變與磁矩之間的內(nèi)在聯(lián)系。在未施加應(yīng)變時(shí)，Cr摻雜GaSb體系中，Cr原子因其3d電子軌道未完全填滿(mǎn)，存在未配對(duì)電子，從而產(chǎn)生局域磁矩，其數(shù)值約為[具體未應(yīng)變時(shí)局域磁矩?cái)?shù)值]μB。整個(gè)體系的總磁矩則是Cr原子的局域磁矩以及周?chē)鶪a和Sb原子磁矩貢獻(xiàn)的總和，總磁矩大小為[具體未應(yīng)變時(shí)總磁矩?cái)?shù)值]μB。當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，晶格發(fā)生畸變。這種晶格結(jié)構(gòu)的變化對(duì)Cr原子的局域磁矩產(chǎn)生了顯著影響。隨著壓應(yīng)變的增加，Cr原子周?chē)木w場(chǎng)環(huán)境發(fā)生改變，3d電子受到的晶體場(chǎng)作用增強(qiáng)，電子云分布發(fā)生變化。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，Cr原子的局域磁矩增大至[具體壓應(yīng)變下局域磁矩?cái)?shù)值]μB，這是因?yàn)榫w場(chǎng)的增強(qiáng)使得3d電子的自旋-軌道耦合作用發(fā)生改變，部分電子的自旋取向更加有序，從而導(dǎo)致局域磁矩增大。從總磁矩角度來(lái)看，壓應(yīng)變不僅影響Cr原子的局域磁矩，還對(duì)周?chē)鶪a和Sb原子的磁矩產(chǎn)生影響。由于原子間距離的縮短，電子云重疊增強(qiáng)，Ga和Sb原子與Cr原子之間的磁相互作用增強(qiáng)，使得Ga和Sb原子的磁矩也發(fā)生了一定程度的變化。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，體系的總磁矩增大至[具體壓應(yīng)變下總磁矩?cái)?shù)值]μB，總磁矩的增大是Cr原子局域磁矩增大以及周?chē)哟啪貐f(xié)同變化的結(jié)果。這種局域磁矩和總磁矩的變化表明，晶格畸變通過(guò)改變?cè)娱g的相互作用和電子云分布，對(duì)磁矩產(chǎn)生了重要影響，進(jìn)一步揭示了應(yīng)變與磁學(xué)性質(zhì)之間的緊密聯(lián)系。4.2.2磁矩方向與自旋重排應(yīng)變不僅會(huì)改變磁矩的大小，還會(huì)導(dǎo)致磁矩方向的改變以及自旋重排現(xiàn)象的發(fā)生，這對(duì)材料的宏觀磁性和實(shí)際應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的影響。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，磁矩方向的穩(wěn)定性與原子間的磁相互作用密切相關(guān)。在未施加應(yīng)變時(shí)，磁矩方向在一定程度上保持相對(duì)穩(wěn)定，體系呈現(xiàn)出特定的磁性狀態(tài)。當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，晶格畸變導(dǎo)致原子間的相對(duì)位置發(fā)生變化，磁相互作用的方向和強(qiáng)度也隨之改變，從而使得磁矩方向發(fā)生改變。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜體系和應(yīng)變條件]下，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，磁矩方向發(fā)生了[具體方向變化角度數(shù)值]的偏轉(zhuǎn)。這是因?yàn)閼?yīng)變引起的晶格畸變改變了原子的配位環(huán)境，使得磁性原子之間的交換相互作用方向發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致磁矩方向的調(diào)整。自旋重排是指在應(yīng)變作用下，磁性原子的自旋方向發(fā)生重新排列的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的發(fā)生與應(yīng)變導(dǎo)致的晶體場(chǎng)變化以及自旋-軌道耦合作用的改變密切相關(guān)。在[具體應(yīng)變條件]下，對(duì)于[具體過(guò)渡族金屬摻雜體系，如Mn摻雜GaSb]，原本自旋方向較為有序的Mn原子，由于應(yīng)變使得晶體場(chǎng)發(fā)生劇烈變化，自旋-軌道耦合作用增強(qiáng)，部分Mn原子的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致自旋重排現(xiàn)象的出現(xiàn)。自旋重排會(huì)顯著影響材料的宏觀磁性，可能使材料的磁性從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁性，或者改變材料的磁各向異性。在自旋電子學(xué)器件中，磁矩方向和自旋重排的可控性對(duì)于實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和讀取至關(guān)重要。通過(guò)精確控制應(yīng)變，可以調(diào)控磁矩方向和自旋重排過(guò)程，為開(kāi)發(fā)高性能的自旋電子器件提供了可能，如基于自旋重排原理的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM），有望實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的信息存儲(chǔ)和處理。4.3磁相互作用的調(diào)控4.3.1鐵磁與反鐵磁耦合轉(zhuǎn)變應(yīng)變能夠顯著改變過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中原子間的磁相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致鐵磁和反鐵磁耦合之間的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變與應(yīng)變引起的晶格結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，晶格結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響原子間的距離和電子云的重疊程度，從而改變磁相互作用的類(lèi)型。以Mn摻雜GaSb為例，在未施加應(yīng)變時(shí)，Mn原子之間的磁相互作用可能表現(xiàn)為鐵磁耦合，相鄰Mn原子的自旋方向趨于一致，材料呈現(xiàn)出鐵磁性。這是因?yàn)樵谶@種情況下，超交換相互作用和雙交換作用使得Mn原子的自旋能夠保持同向排列。當(dāng)施加一定程度的壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)。這種變化會(huì)改變Mn原子與周?chē)鶶b原子以及其他Mn原子之間的相互作用。壓應(yīng)變可能會(huì)增強(qiáng)超交換相互作用中的軌道雜化程度，使得Mn原子之間的磁相互作用發(fā)生變化。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，Mn原子之間的磁相互作用可能會(huì)從鐵磁耦合轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁耦合，相鄰Mn原子的自旋方向變?yōu)橄喾矗牧系拇判砸搽S之發(fā)生改變，從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁性。這是因?yàn)閴簯?yīng)變導(dǎo)致的電子云重疊增強(qiáng)，使得電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，原本有利于鐵磁耦合的相互作用被削弱，而反鐵磁耦合的相互作用得到增強(qiáng)。相反，當(dāng)施加拉應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)增大，原子間距離增大，電子云重疊減弱。在[具體拉應(yīng)變數(shù)值]的拉應(yīng)變下，對(duì)于原本處于反鐵磁耦合狀態(tài)的Mn摻雜GaSb體系，拉應(yīng)變可能會(huì)使得Mn原子之間的反鐵磁耦合減弱，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁耦合。這是因?yàn)槔瓚?yīng)變導(dǎo)致原子間相互作用減弱，電子的能量狀態(tài)發(fā)生調(diào)整，使得鐵磁耦合的相互作用重新占據(jù)主導(dǎo)地位。這種鐵磁與反鐵磁耦合的轉(zhuǎn)變對(duì)材料的磁性有著重要影響。不同的耦合狀態(tài)決定了材料的宏觀磁性表現(xiàn)，鐵磁性材料具有較高的磁化強(qiáng)度和剩磁，可用于制造永磁體、磁性存儲(chǔ)器等器件；而反鐵磁性材料雖然宏觀上不表現(xiàn)出磁性，但在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，如自旋閥、磁傳感器等器件中有著潛在的應(yīng)用，通過(guò)調(diào)控鐵磁與反鐵磁耦合的轉(zhuǎn)變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料磁性的靈活調(diào)控，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。4.3.2磁相互作用強(qiáng)度的變化應(yīng)變不僅能夠改變磁相互作用的類(lèi)型，還對(duì)磁相互作用的強(qiáng)度有著顯著的影響，這種影響會(huì)進(jìn)一步對(duì)居里溫度和磁滯回線(xiàn)產(chǎn)生作用，從而改變材料的磁學(xué)性能。以Mo摻雜GaSb體系為例，當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)，使得磁相互作用強(qiáng)度增強(qiáng)。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，Mo原子之間的磁相互作用強(qiáng)度相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下增強(qiáng)了[具體增強(qiáng)比例數(shù)值]。這是因?yàn)閴簯?yīng)變使得Mo原子與周?chē)鶪a和Sb原子之間的化學(xué)鍵縮短，電子在原子間的跳躍更加頻繁，超交換相互作用和雙交換作用的強(qiáng)度都得到提升，從而增強(qiáng)了磁相互作用強(qiáng)度。磁相互作用強(qiáng)度的增強(qiáng)對(duì)居里溫度有著積極的影響。居里溫度是材料從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)的臨界溫度，它與磁相互作用強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)磁相互作用強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，原子的自旋排列更加穩(wěn)定，需要更高的能量才能破壞這種有序排列，因此居里溫度升高。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，Mo摻雜GaSb體系的居里溫度從無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下的[具體居里溫度數(shù)值1]K升高到了[具體居里溫度數(shù)值2]K，這使得材料在更高的溫度下仍能保持鐵磁性，拓寬了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用范圍。拉應(yīng)變則會(huì)使晶格常數(shù)增大，原子間距離增大，電子云重疊減弱，導(dǎo)致磁相互作用強(qiáng)度減弱。在[具體拉應(yīng)變數(shù)值]的拉應(yīng)變下，Mo原子之間的磁相互作用強(qiáng)度相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下減弱了[具體減弱比例數(shù)值]。這是由于拉應(yīng)變使得原子間的相互作用減弱，電子在原子間的跳躍變得困難，超交換相互作用和雙交換作用的強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致磁相互作用強(qiáng)度減弱。磁相互作用強(qiáng)度的減弱會(huì)使居里溫度降低，材料在較低的溫度下就會(huì)從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)，限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。磁相互作用強(qiáng)度的變化還會(huì)對(duì)磁滯回線(xiàn)產(chǎn)生影響。磁滯回線(xiàn)反映了材料在磁化和退磁過(guò)程中的磁性變化，其形狀和參數(shù)與磁相互作用強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)磁相互作用強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，磁滯回線(xiàn)的矯頑力增大，這意味著材料需要更大的反向磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)退磁，材料的磁穩(wěn)定性增強(qiáng)。在[具體壓應(yīng)變數(shù)值]的壓應(yīng)變下，Mo摻雜GaSb體系的矯頑力從無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下的[具體矯頑力數(shù)值1]Oe增大到了[具體矯頑力數(shù)值2]Oe。而當(dāng)磁相互作用強(qiáng)度減弱時(shí)，矯頑力減小，材料更容易被磁化和退磁，磁滯回線(xiàn)變得更加狹窄。這種磁相互作用強(qiáng)度變化對(duì)居里溫度和磁滯回線(xiàn)的影響，為通過(guò)應(yīng)變調(diào)控過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料的磁學(xué)性能提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有助于開(kāi)發(fā)出具有特定磁學(xué)性能的材料，滿(mǎn)足不同領(lǐng)域?qū)Υ判圆牧系男枨?。五、電子結(jié)構(gòu)與磁學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)5.1電子結(jié)構(gòu)對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的影響5.1.1電子態(tài)分布與磁矩形成電子態(tài)分布在磁矩形成過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色，對(duì)材料的磁性有著根本性的影響。從原子層面來(lái)看，原子的磁矩主要源于電子的軌道磁矩和自旋磁矩。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，過(guò)渡族金屬原子的未配對(duì)電子自旋是產(chǎn)生磁矩的關(guān)鍵因素。以Fe摻雜GaSb為例，F(xiàn)e原子的電子構(gòu)型為[Ar]3d^{6}4s^{2}，3d軌道上存在4個(gè)未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子的自旋方向決定了Fe原子的局域磁矩大小和方向。在晶體環(huán)境中，電子態(tài)分布不僅取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu)，還受到周?chē)拥挠绊憽．?dāng)Fe原子摻入GaSb晶體后，其周?chē)腉a和Sb原子會(huì)對(duì)Fe原子的電子云分布產(chǎn)生作用，形成晶體場(chǎng)。晶體場(chǎng)的存在使得Fe原子的3d電子能級(jí)發(fā)生分裂，原本簡(jiǎn)并的3d能級(jí)分裂為不同能量的子能級(jí)。這種能級(jí)分裂會(huì)進(jìn)一步影響電子的填充情況和自旋取向，從而改變Fe原子的局域磁矩。在八面體晶體場(chǎng)中，F(xiàn)e原子的3d能級(jí)會(huì)分裂為t_{2g}和e_{g}兩個(gè)子能級(jí)，電子會(huì)優(yōu)先填充能量較低的t_{2g}能級(jí)，且自旋方向盡量保持一致，以滿(mǎn)足洪特規(guī)則，從而產(chǎn)生較大的局域磁矩。從整個(gè)體系的總磁矩角度來(lái)看，電子態(tài)分布的變化會(huì)導(dǎo)致總磁矩的改變。當(dāng)體系中的電子態(tài)分布發(fā)生變化時(shí)，例如由于應(yīng)變導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)改變，使得原子間的距離和電子云重疊程度發(fā)生變化，這會(huì)影響不同原子磁矩之間的相互作用。如果原子磁矩之間的相互作用增強(qiáng)，且自旋方向趨于一致，那么總磁矩就會(huì)增大；反之，如果原子磁矩之間的相互作用減弱，自旋方向變得無(wú)序，總磁矩就會(huì)減小。在Fe摻雜GaSb中，當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)，F(xiàn)e原子與周?chē)鶪a和Sb原子之間的磁相互作用增強(qiáng)，使得體系中更多原子的磁矩方向趨于一致，從而導(dǎo)致總磁矩增大。這種電子態(tài)分布與磁矩形成之間的緊密聯(lián)系，為理解過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的磁學(xué)性質(zhì)提供了微觀層面的依據(jù)，也為通過(guò)調(diào)控電子態(tài)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。5.1.2能帶結(jié)構(gòu)與磁相互作用能帶結(jié)構(gòu)對(duì)磁相互作用有著深刻的影響，其中能帶交叉和雜質(zhì)能級(jí)與磁耦合之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，能帶交叉現(xiàn)象會(huì)顯著改變磁相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)度。當(dāng)能帶發(fā)生交叉時(shí)，電子在不同能帶之間的躍遷變得更加容易，這會(huì)導(dǎo)致電子的自旋狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響磁相互作用。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜和應(yīng)變條件下，如Mn摻雜且施加一定拉應(yīng)變]，通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)帶與價(jià)帶在布里淵區(qū)的[具體k點(diǎn)位置]處發(fā)生交叉。這種能帶交叉使得電子在該k點(diǎn)處的能量簡(jiǎn)并度降低，電子的自旋-軌道耦合作用增強(qiáng)，從而改變了相鄰磁性原子之間的交換相互作用。原本可能是鐵磁耦合的磁相互作用，在能帶交叉后可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁耦合，或者磁耦合強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。雜質(zhì)能級(jí)的存在也對(duì)磁相互作用有著重要影響。過(guò)渡族金屬摻雜會(huì)在GaSb的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)為電子的躍遷提供了額外的通道。雜質(zhì)能級(jí)與主體材料的能帶之間的相互作用會(huì)影響電子的自旋極化和磁矩分布，從而影響磁耦合。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜體系，如V摻雜GaSb]中，V摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)位于帶隙中靠近導(dǎo)帶底的位置。這些雜質(zhì)能級(jí)上的電子與導(dǎo)帶中的電子發(fā)生相互作用，使得電子的自旋極化狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響了V原子之間以及V原子與周?chē)鶪a和Sb原子之間的磁耦合。雜質(zhì)能級(jí)上電子的自旋方向與周?chē)哟啪氐南鄬?duì)取向會(huì)決定磁耦合的類(lèi)型和強(qiáng)度。如果雜質(zhì)能級(jí)上電子的自旋方向與周?chē)判栽拥淖孕较蛞恢拢瑫?huì)增強(qiáng)鐵磁耦合；反之，如果自旋方向相反，則可能導(dǎo)致反鐵磁耦合或削弱磁耦合強(qiáng)度。應(yīng)變會(huì)通過(guò)改變能帶結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)能級(jí)的位置來(lái)進(jìn)一步調(diào)控磁相互作用。當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能帶間隙增大，雜質(zhì)能級(jí)向高能級(jí)方向移動(dòng)。這種變化會(huì)改變電子在能帶和雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷概率，從而影響磁相互作用。壓應(yīng)變可能會(huì)增強(qiáng)雜質(zhì)能級(jí)與主體材料能帶之間的相互作用，使得磁耦合強(qiáng)度發(fā)生改變，或者導(dǎo)致磁耦合類(lèi)型的轉(zhuǎn)變。這種能帶結(jié)構(gòu)與磁相互作用之間的復(fù)雜關(guān)系，為深入理解過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的磁學(xué)性質(zhì)提供了關(guān)鍵線(xiàn)索，也為通過(guò)調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)能級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。五、電子結(jié)構(gòu)與磁學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)5.1電子結(jié)構(gòu)對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的影響5.1.1電子態(tài)分布與磁矩形成電子態(tài)分布在磁矩形成過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色，對(duì)材料的磁性有著根本性的影響。從原子層面來(lái)看，原子的磁矩主要源于電子的軌道磁矩和自旋磁矩。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，過(guò)渡族金屬原子的未配對(duì)電子自旋是產(chǎn)生磁矩的關(guān)鍵因素。以Fe摻雜GaSb為例，F(xiàn)e原子的電子構(gòu)型為[Ar]3d^{6}4s^{2}，3d軌道上存在4個(gè)未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子的自旋方向決定了Fe原子的局域磁矩大小和方向。在晶體環(huán)境中，電子態(tài)分布不僅取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu)，還受到周?chē)拥挠绊?。?dāng)Fe原子摻入GaSb晶體后，其周?chē)腉a和Sb原子會(huì)對(duì)Fe原子的電子云分布產(chǎn)生作用，形成晶體場(chǎng)。晶體場(chǎng)的存在使得Fe原子的3d電子能級(jí)發(fā)生分裂，原本簡(jiǎn)并的3d能級(jí)分裂為不同能量的子能級(jí)。這種能級(jí)分裂會(huì)進(jìn)一步影響電子的填充情況和自旋取向，從而改變Fe原子的局域磁矩。在八面體晶體場(chǎng)中，F(xiàn)e原子的3d能級(jí)會(huì)分裂為t_{2g}和e_{g}兩個(gè)子能級(jí)，電子會(huì)優(yōu)先填充能量較低的t_{2g}能級(jí)，且自旋方向盡量保持一致，以滿(mǎn)足洪特規(guī)則，從而產(chǎn)生較大的局域磁矩。從整個(gè)體系的總磁矩角度來(lái)看，電子態(tài)分布的變化會(huì)導(dǎo)致總磁矩的改變。當(dāng)體系中的電子態(tài)分布發(fā)生變化時(shí)，例如由于應(yīng)變導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)改變，使得原子間的距離和電子云重疊程度發(fā)生變化，這會(huì)影響不同原子磁矩之間的相互作用。如果原子磁矩之間的相互作用增強(qiáng)，且自旋方向趨于一致，那么總磁矩就會(huì)增大；反之，如果原子磁矩之間的相互作用減弱，自旋方向變得無(wú)序，總磁矩就會(huì)減小。在Fe摻雜GaSb中，當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)，F(xiàn)e原子與周?chē)鶪a和Sb原子之間的磁相互作用增強(qiáng)，使得體系中更多原子的磁矩方向趨于一致，從而導(dǎo)致總磁矩增大。這種電子態(tài)分布與磁矩形成之間的緊密聯(lián)系，為理解過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的磁學(xué)性質(zhì)提供了微觀層面的依據(jù)，也為通過(guò)調(diào)控電子態(tài)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。5.1.2能帶結(jié)構(gòu)與磁相互作用能帶結(jié)構(gòu)對(duì)磁相互作用有著深刻的影響，其中能帶交叉和雜質(zhì)能級(jí)與磁耦合之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，能帶交叉現(xiàn)象會(huì)顯著改變磁相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)度。當(dāng)能帶發(fā)生交叉時(shí)，電子在不同能帶之間的躍遷變得更加容易，這會(huì)導(dǎo)致電子的自旋狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響磁相互作用。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜和應(yīng)變條件下，如Mn摻雜且施加一定拉應(yīng)變]，通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)帶與價(jià)帶在布里淵區(qū)的[具體k點(diǎn)位置]處發(fā)生交叉。這種能帶交叉使得電子在該k點(diǎn)處的能量簡(jiǎn)并度降低，電子的自旋-軌道耦合作用增強(qiáng)，從而改變了相鄰磁性原子之間的交換相互作用。原本可能是鐵磁耦合的磁相互作用，在能帶交叉后可能轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁耦合，或者磁耦合強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。雜質(zhì)能級(jí)的存在也對(duì)磁相互作用有著重要影響。過(guò)渡族金屬摻雜會(huì)在GaSb的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)為電子的躍遷提供了額外的通道。雜質(zhì)能級(jí)與主體材料的能帶之間的相互作用會(huì)影響電子的自旋極化和磁矩分布，從而影響磁耦合。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜體系，如V摻雜GaSb]中，V摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)位于帶隙中靠近導(dǎo)帶底的位置。這些雜質(zhì)能級(jí)上的電子與導(dǎo)帶中的電子發(fā)生相互作用，使得電子的自旋極化狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響了V原子之間以及V原子與周?chē)鶪a和Sb原子之間的磁耦合。雜質(zhì)能級(jí)上電子的自旋方向與周?chē)哟啪氐南鄬?duì)取向會(huì)決定磁耦合的類(lèi)型和強(qiáng)度。如果雜質(zhì)能級(jí)上電子的自旋方向與周?chē)判栽拥淖孕较蛞恢?，?huì)增強(qiáng)鐵磁耦合；反之，如果自旋方向相反，則可能導(dǎo)致反鐵磁耦合或削弱磁耦合強(qiáng)度。應(yīng)變會(huì)通過(guò)改變能帶結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)能級(jí)的位置來(lái)進(jìn)一步調(diào)控磁相互作用。當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能帶間隙增大，雜質(zhì)能級(jí)向高能級(jí)方向移動(dòng)。這種變化會(huì)改變電子在能帶和雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷概率，從而影響磁相互作用。壓應(yīng)變可能會(huì)增強(qiáng)雜質(zhì)能級(jí)與主體材料能帶之間的相互作用，使得磁耦合強(qiáng)度發(fā)生改變，或者導(dǎo)致磁耦合類(lèi)型的轉(zhuǎn)變。這種能帶結(jié)構(gòu)與磁相互作用之間的復(fù)雜關(guān)系，為深入理解過(guò)渡族金屬摻雜GaSb的磁學(xué)性質(zhì)提供了關(guān)鍵線(xiàn)索，也為通過(guò)調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)能級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。5.2磁學(xué)性質(zhì)對(duì)電子結(jié)構(gòu)的反饋5.2.1磁矩對(duì)電子能帶的影響磁矩所產(chǎn)生的內(nèi)磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不容忽視的反作用，這種作用在材料的電子行為和物理性質(zhì)中有著具體體現(xiàn)。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，由于過(guò)渡族金屬原子具有未配對(duì)電子，產(chǎn)生了局域磁矩，這些局域磁矩在材料內(nèi)部形成了一個(gè)內(nèi)磁場(chǎng)。以Co摻雜GaSb為例，Co原子的3d電子具有未配對(duì)自旋，形成了局域磁矩，在其周?chē)a(chǎn)生內(nèi)磁場(chǎng)。該內(nèi)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變電子能帶的位置和形狀。從能帶位置來(lái)看，內(nèi)磁場(chǎng)的存在會(huì)使電子感受到一個(gè)額外的磁矢勢(shì)，導(dǎo)致電子的能量發(fā)生變化，從而使能帶位置發(fā)生移動(dòng)。在[具體摻雜濃度和內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度條件]下，通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰糠謩e發(fā)生了[具體能量移動(dòng)數(shù)值]的變化，導(dǎo)帶底向高能量方向移動(dòng)，價(jià)帶頂向低能量方向移動(dòng)，使得能帶間隙減小。這是因?yàn)閮?nèi)磁場(chǎng)與電子的自旋相互作用，改變了電子的能量本征值，導(dǎo)致能帶位置的移動(dòng)。內(nèi)磁場(chǎng)還會(huì)影響能帶的形狀。由于內(nèi)磁場(chǎng)的作用，電子在不同方向上的運(yùn)動(dòng)受到不同程度的影響，使得能帶在不同方向上的色散關(guān)系發(fā)生變化，從而改變了能帶的形狀。在[具體晶體方向]上，內(nèi)磁場(chǎng)使得能帶的斜率發(fā)生改變，電子的有效質(zhì)量也隨之變化。在[具體內(nèi)磁場(chǎng)條件]下，該方向上電子的有效質(zhì)量相較于無(wú)內(nèi)磁場(chǎng)時(shí)增大了[具體增大比例數(shù)值]，這是因?yàn)閮?nèi)磁場(chǎng)導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，使得電子的有效質(zhì)量增大，進(jìn)而改變了能帶的形狀和電子的輸運(yùn)性質(zhì)。這種磁矩對(duì)電子能帶的影響，進(jìn)一步說(shuō)明了電子結(jié)構(gòu)與磁學(xué)性質(zhì)之間的相互關(guān)聯(lián)性，為全面理解過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料的物理性質(zhì)提供了重要依據(jù)。5.2.2磁相互作用對(duì)電子輸運(yùn)的影響磁相互作用對(duì)電子輸運(yùn)有著重要影響，其中電子散射和遷移率的變化與磁相互作用密切相關(guān)，這對(duì)材料的電學(xué)性能和實(shí)際應(yīng)用有著深遠(yuǎn)意義。在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb體系中，磁相互作用主要包括鐵磁耦合和反鐵磁耦合，這些磁相互作用會(huì)改變電子的散射概率和遷移率。當(dāng)體系中存在鐵磁耦合時(shí)，相鄰磁性原子的自旋方向趨于一致，電子在通過(guò)這些磁性原子時(shí)，由于自旋-軌道耦合作用，電子的散射概率會(huì)發(fā)生變化。在[具體鐵磁耦合強(qiáng)度和電子能量條件]下，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電子在鐵磁耦合體系中的散射概率相較于無(wú)磁相互作用時(shí)降低了[具體降低比例數(shù)值]。這是因?yàn)樵阼F磁耦合狀態(tài)下，電子的自旋方向與磁性原子的自旋方向更容易保持一致，減少了電子與磁性原子之間的散射，使得電子的散射概率降低，遷移率增大。在[具體溫度和電場(chǎng)條件]下，電子的遷移率相較于無(wú)磁相互作用時(shí)提高了[具體提高比例數(shù)值]，這使得材料的電導(dǎo)率增加，有利于提高材料的電學(xué)性能。相反，當(dāng)體系中存在反鐵磁耦合時(shí)，相鄰磁性原子的自旋方向相反，電子在通過(guò)這些磁性原子時(shí)，會(huì)受到更多的散射。在[具體反鐵磁耦合強(qiáng)度和電子能量條件]下，電子在反鐵磁耦合體系中的散射概率相較于無(wú)磁相互作用時(shí)增大了[具體增大比例數(shù)值]。這是因?yàn)殡娮釉谕ㄟ^(guò)反鐵磁耦合的磁性原子時(shí)，需要不斷改變自旋方向以適應(yīng)不同磁性原子的自旋取向，這增加了電子與磁性原子之間的散射，導(dǎo)致散射概率增大，遷移率降低。在[具體溫度和電場(chǎng)條件]下，電子的遷移率相較于無(wú)磁相互作用時(shí)降低了[具體降低比例數(shù)值]，使得材料的電導(dǎo)率降低，對(duì)材料的電學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。這種磁相互作用對(duì)電子輸運(yùn)的影響，在材料的實(shí)際應(yīng)用中有著重要意義。在半導(dǎo)體器件中，電子的輸運(yùn)性質(zhì)直接影響著器件的性能。通過(guò)調(diào)控磁相互作用，可以?xún)?yōu)化電子的輸運(yùn)性質(zhì)，提高器件的性能。在自旋電子學(xué)器件中，利用磁相互作用對(duì)電子輸運(yùn)的影響，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋的操控，為開(kāi)發(fā)新型的自旋電子器件提供了可能。六、應(yīng)用前景與展望6.1在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用潛力6.1.1自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Spin-Field-EffectTransistor，Spin-FET）作為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，具有獨(dú)特的工作原理和潛在的應(yīng)用價(jià)值。其工作機(jī)制基于電子的自旋屬性，與傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要利用電子電荷不同，Spin-FET通過(guò)控制電子的自旋方向來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和放大。在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，源極發(fā)射帶有特定自旋方向的電子，這些電子通過(guò)溝道傳輸?shù)铰O，而柵極則用于調(diào)控溝道中電子的自旋狀態(tài)。過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。由于過(guò)渡族金屬具有未配對(duì)電子，使得摻雜后的GaSb材料具有磁性，能夠?qū)﹄娮拥淖孕a(chǎn)生影響。通過(guò)精確控制過(guò)渡族金屬的摻雜種類(lèi)、濃度以及施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而優(yōu)化自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能。在Cr摻雜GaSb體系中，通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)變可以增強(qiáng)Cr原子之間的鐵磁耦合強(qiáng)度，使得材料具有更高的自旋極化率。在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，這種高自旋極化率的材料能夠有效地注入和傳輸自旋極化電子，提高器件的自旋注入效率和自旋傳輸長(zhǎng)度，從而提升器件的性能。應(yīng)變?cè)谡{(diào)控自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能方面發(fā)揮著重要作用。應(yīng)變可以改變材料的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響電子的能帶結(jié)構(gòu)和自旋-軌道耦合強(qiáng)度。在[具體應(yīng)變條件]下，應(yīng)變導(dǎo)致GaSb的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得電子的自旋-軌道耦合增強(qiáng)，這有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋的有效調(diào)控。通過(guò)施加不同方向和大小的應(yīng)變，可以改變自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電子的自旋進(jìn)動(dòng)方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電學(xué)性能的精確調(diào)控。在[具體應(yīng)用場(chǎng)景]中，通過(guò)應(yīng)變調(diào)控，可以使自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)速度提高[具體提高比例數(shù)值]，功耗降低[具體降低比例數(shù)值]，為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的自旋電子學(xué)器件提供了可能。6.1.2磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MagneticRandomAccessMemory，MRAM）是一種基于磁性材料的新型存儲(chǔ)器件，具有非易失性、高速讀寫(xiě)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)存儲(chǔ)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作原理基于磁性材料的磁矩方向來(lái)存儲(chǔ)信息，通過(guò)施加外部磁場(chǎng)或電流來(lái)改變磁矩方向，實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入和讀取。在磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)單元通常由磁性隧道結(jié)（MagneticTunnelJunction，MTJ）構(gòu)成，MTJ由兩個(gè)磁性層和中間的絕緣層組成，當(dāng)兩個(gè)磁性層的磁矩方向平行時(shí)，電阻較低，對(duì)應(yīng)邏輯“0”；當(dāng)磁矩方向反平行時(shí)，電阻較高，對(duì)應(yīng)邏輯“1”。過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料在磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的磁性隧道結(jié)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。過(guò)渡族金屬摻雜可以賦予GaSb材料磁性，通過(guò)應(yīng)變調(diào)控可以進(jìn)一步優(yōu)化其磁學(xué)性質(zhì)，提高磁性隧道結(jié)的性能。在[具體過(guò)渡族金屬摻雜體系，如Mn摻雜GaSb]中，應(yīng)變可以改變Mn原子之間的磁相互作用，使得磁性隧道結(jié)的磁電阻效應(yīng)增強(qiáng)。在[具體應(yīng)變條件]下，磁性隧道結(jié)的磁電阻比相較于無(wú)應(yīng)變狀態(tài)提高了[具體提高比例數(shù)值]，這意味著在相同的磁場(chǎng)或電流作用下，能夠產(chǎn)生更大的電阻變化，提高了信息存儲(chǔ)的可靠性和讀寫(xiě)速度。應(yīng)變對(duì)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的性能提升具有重要意義。應(yīng)變可以調(diào)控磁性材料的磁各向異性和居里溫度，這對(duì)于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性和工作溫度范圍至關(guān)重要。通過(guò)施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以增大磁性隧道結(jié)中磁性層的磁各向異性，使得磁矩在外界干擾下更難翻轉(zhuǎn)，提高了存儲(chǔ)信息的穩(wěn)定性。應(yīng)變還可以提高材料的居里溫度，拓寬磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的工作溫度范圍，使其能夠在更惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。在[具體應(yīng)用場(chǎng)景]中，經(jīng)過(guò)應(yīng)變調(diào)控的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器在高溫環(huán)境下的存儲(chǔ)穩(wěn)定性提高了[具體提高比例數(shù)值]，為其在航空航天、汽車(chē)電子等高溫應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供了技術(shù)支持。6.2在其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用6.2.1傳感器領(lǐng)域在傳感器領(lǐng)域，過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料憑借其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在磁場(chǎng)傳感器和氣體傳感器方面。在磁場(chǎng)傳感器中，過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料的磁學(xué)性質(zhì)使其對(duì)磁場(chǎng)變化極為敏感。由于過(guò)渡族金屬的未配對(duì)電子自旋，摻雜后的GaSb材料具有磁性，當(dāng)外界磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，材料內(nèi)部的磁矩會(huì)隨之改變，進(jìn)而導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這種變化可以通過(guò)電學(xué)信號(hào)的改變來(lái)檢測(cè)。在Fe摻雜GaSb體系中，當(dāng)施加一個(gè)微弱的外部磁場(chǎng)時(shí)，F(xiàn)e原子的磁矩會(huì)在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生定向排列，使得材料的電阻發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量這種電阻的變化，就可以精確檢測(cè)出外界磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向變化。應(yīng)變?cè)谔岣叽艌?chǎng)傳感器靈敏度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以調(diào)控材料的磁各向異性和磁導(dǎo)率。當(dāng)施加壓應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電子云重疊增強(qiáng)，使得材料的磁各向異性增大，磁導(dǎo)率也發(fā)生改變，從而提高了材料對(duì)磁場(chǎng)變化的響應(yīng)靈敏度。在[具體應(yīng)變條件]下，應(yīng)變使得Fe摻雜GaSb材料制作的磁場(chǎng)傳感器靈敏度提高了[具體提高比例數(shù)值]，能夠檢測(cè)到更微弱的磁場(chǎng)變化，這對(duì)于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、地質(zhì)勘探等需要高精度磁場(chǎng)檢測(cè)的領(lǐng)域具有重要意義。在氣體傳感器方面，過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料可以利用其電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體分子的檢測(cè)。不同的氣體分子具有不同的電子親和能和化學(xué)反應(yīng)活性，當(dāng)氣體分子吸附在過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料表面時(shí)，會(huì)與材料發(fā)生電子轉(zhuǎn)移或化學(xué)反應(yīng)，從而改變材料的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。在Pd摻雜GaSb體系中，當(dāng)氫氣分子吸附在材料表面時(shí)，氫氣分子會(huì)將電子轉(zhuǎn)移給Pd原子，使得Pd原子的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而改變了材料的電阻。通過(guò)測(cè)量電阻的變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣濃度的檢測(cè)。應(yīng)變同樣可以?xún)?yōu)化氣體傳感器的性能。應(yīng)變可以改變材料的表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)分布，從而影響氣體分子在材料表面的吸附和反應(yīng)過(guò)程。當(dāng)施加拉應(yīng)變時(shí)，晶格常數(shù)增大，原子間距離增大，材料表面的電子云分布發(fā)生變化，使得氣體分子更容易吸附在材料表面，并且能夠增強(qiáng)氣體分子與材料之間的化學(xué)反應(yīng)活性，提高傳感器的響應(yīng)速度和選擇性。在[具體應(yīng)變條件]下，應(yīng)變使得Pd摻雜GaSb材料制作的氫氣傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)速度提高了[具體提高比例數(shù)值]，選擇性也得到了顯著增強(qiáng)，能夠有效區(qū)分氫氣與其他干擾氣體，為氫氣檢測(cè)提供了更可靠的技術(shù)手段。6.2.2量子比特領(lǐng)域過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料在量子比特領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。量子比特作為量子計(jì)算的基本單元，要求材料具備長(zhǎng)的量子比特壽命、高的相干性以及可精確調(diào)控的量子態(tài)等特性。過(guò)渡族金屬摻雜GaSb材料的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)使其有可能滿(mǎn)足這些要求。由于過(guò)渡族金屬的未配對(duì)電子自旋，摻雜后的GaSb材料具有局域磁矩，這些局域磁矩可以作為量子比