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氮化镓(GaN)是一种宽禁带直接带隙半导体材料,因其优异的电学和光学性能,有着非常广泛的应用前景。Cu掺杂GaN稀磁体系因其所具有的显著的室温铁磁性(RTFM)引起了人们极大的兴趣。目前,这种室温铁磁性已被众多实验证实,但是对其产生的机理依然存在着很多疑问,实验及理论研究的结果也很不一致,其磁性诱因本质还有待深入了解。此外,GaN在高压强下会发生结构相变,对GaN晶体结构、能带结构以及电子态密度随压强的变化进行了研究。这方面研究可为构建压力敏感器件及稀磁材料提供理论的借鉴,但目前理论研究较少。本文基于密度泛函理论的平面波赝势方法,选择广义梯度近似(GGA)下的PBE算法-关联泛函对GaN晶体及Cu-GaN稀磁半导体体系的稀磁特征、压力响应等特性进行了研究。取得了以下研究成果: 1.对GaN晶体性质随压强变化的研究发现:随着压强增加,常见的纤锌矿与闪锌矿GaN会发生结构相变成岩盐矿结构,并且其能带结构均由直接带隙转变成间接带隙。其中,通过焓相等原理得到纤锌矿到岩盐矿结构的相变压强为44.4GPa,而闪锌矿到岩盐矿结构的相变压强为43.6GPa。此外,随着压强增大,GaN纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿的价带态密度均向低能方向偏移,而导带态密度向高能方向偏移,从而导致GaN共价性增强及带隙随压强增大而展宽。 2.研究Cu含量为12.5%的Cu-GaN稀磁体系的磁性机制,发现N原子和Cu原子之间存在铁磁序耦合,使得体系具有明显的铁磁性,分析了其磁性机制,Cu原子的d电子轨道和紧邻的N原子的p电子轨道杂化产生自旋交换劈裂,因而具有磁矩。 3.深入研究了高压强下Cu-GaN稀磁体系电子结构,磁性的变化规律,发现在高压强下,12.5%的Cu掺杂GaN会发生结构相交,纤锌矿到岩盐矿的相变压强为28.4GPa,闪锌矿到岩盐矿的相变压强为29.8GPa,相比于无掺杂的GaN,相变压强值变小。而Cu-GaN伴随着结构相变的发生,晶体的能带带隙值变小,约在0.570eV左右,而自旋磁矩也减少为0.33μB附近。