【国内论文】湖南科技学院研究团队探究掺杂3d过渡金属的二维 Ga₂O₃ 的作用

        近期，由湖南科技学院的研究团队在学术期刊Materials发布了一篇名为Roles of Impurity Levels in 3d Transition Metal-Doped Two-Dimensional Ga₂O₃（掺杂 3d 过渡金属的二维 Ga₂O₃ 中杂质水平的作用）的文章。

摘要

        掺杂工程对基础科学和新兴应用至关重要。尽管过渡金属（TM）掺杂剂在调节块体Ga₂O₃的磁性和导电性方面具有显著优势，但对掺杂二维（2D）Ga₂O₃的研究在理论和实验上仍然较少。在本研究中，我们通过采用广义梯度近似（GGA）+U方法的第一性原理计算，详细探讨了3d TM掺杂的2D Ga₂O₃体系中的杂质能级变化。结果表明，钴（Co）杂质倾向于掺入四面体GaII位点，而其他掺杂剂则更喜欢方锥形GaI位点。此外，Sc³⁺, Ti⁴⁺, V⁴⁺, Cr³⁺, Mn³⁺, Fe³⁺, Co³⁺, Ni³⁺, Cu²⁺和Zn²⁺是能量上较为有利的电荷态。重要的是，根据缺陷形成能和局部态密度（PDOS）判断，电导率发生了从n型到p型的转变，阈值为铜元素，表明在3d TM族中，随着原子序数的增加，电子掺杂向孔掺杂转变。此外，详细研究了方锥形和四面体配位晶场效应下的自旋构型，观察到从高自旋到低自旋的转变。随着3d TM掺杂剂原子序数的增加，氧离子对总磁矩的贡献显著增加，这与电负性效应有关。此外，大多数TM掺杂剂形成的3d能带位于费米能级附近，这对从紫外光到可见/红外光的吸收区域转变具有重要意义。我们的结果为设计用于光电和自旋电子应用的2D Ga₂O₃提供了理论指导。

图 1. 从（a）立体图和（b）侧视图看 3d TM（Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）掺杂的二维 Ga₂O₃ 结构模型。O 原子和 Ga 原子分别用较小的红色球体和较大的绿色球体表示。用 TM 原子替换的 GaI 和 GaII 掺杂位置分别用蓝色和品红色表示。(c) 用 PBE 和 HSE06 函数计算的完美二维Ga₂O₃ 单胞的能带结构。在 PBE 函数下，完美二维 Ga₂O₃ 单元晶胞的 (d) Ga-4s 轨道和 (e) O-2p 轨道的轨道推算带状结构。高对称点分别为 G (0, 0, 0)、X (0.5, 0, 0)、S (0.5, 0.5, 0) 和 Y (0, 0.5, 0)。

图 2. 在富氧条件下，不同 TM 掺杂二维 Ga₂O₃ 结构的 (a,b) 缺陷形成能量计算结果。

DOI：

doi.org/10.3390/ma17184582