寧波材料所摻雜PbTe能帶工程機(jī)理研究取得進(jìn)展
PbTe是一類(lèi)發(fā)展較早的中溫?zé)犭姴牧?。其晶格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為面心立方的NaCl結(jié)構(gòu)，晶格熱導(dǎo)率較低（2.2 W/mK），禁帶寬度理想（0.32 eV），熔點(diǎn)較高（1095 K），因具有優(yōu)異的熱電性能而受到廣泛關(guān)注。通過(guò)不同元素?fù)诫s來(lái)修飾能帶結(jié)構(gòu)的能帶工程被視為提高材料電輸運(yùn)性能的有效手段。近年來(lái)，Heremans等人和Pei等人在PbTe摻雜方面分別做出了重要的研究工作，能帶工程的機(jī)理也由此歸分為“共振態(tài)”和“多能谷”兩種作用機(jī)制。
相對(duì)于其它3d過(guò)渡族元素?fù)诫s表現(xiàn)出“共振態(tài)”效應(yīng)，Mn摻雜PbTe表現(xiàn)出“多能谷”效應(yīng)。寧波材料所通過(guò)第一性原理計(jì)算分析了不同作用機(jī)理的根源以及Mn摻雜對(duì)PbTe的價(jià)帶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)理，最后還預(yù)測(cè)了兩種作用機(jī)制相互轉(zhuǎn)變的條件。研究發(fā)現(xiàn)，Mn摻雜PbTe的基態(tài)是磁矩為5μB/Mn的鐵磁態(tài)。Mn的5個(gè)d電子全部排列在自旋向上態(tài)，剛好形成全占據(jù)的自旋向上態(tài)和全空的自旋向下態(tài)，由于強(qiáng)烈的磁關(guān)聯(lián)劈裂作用，使得d電子軌道遠(yuǎn)離費(fèi)米面。在其它3d過(guò)渡金屬不能形成全滿(mǎn)或者全空的狀態(tài)，d電子軌道將靠近費(fèi)米面形成“共振態(tài)”效應(yīng)。如能帶結(jié)構(gòu)圖所示，Mn的d電子選擇性作用到次級(jí)價(jià)帶上并使其上升從而縮小最高價(jià)帶和次級(jí)價(jià)帶之間的能量差，形成“多能谷”效應(yīng)。通過(guò)分波態(tài)密度的分析，可以看出這種效應(yīng)來(lái)源于Mn-d電子eg軌道和Te-p電子軌道的反鍵態(tài)。如果陽(yáng)離子p電子軌道下降或者d電子eg軌道上升，也就是兩種電子軌道之間的能量差減小，如右圖所示，反鍵態(tài)電子態(tài)密度將逐漸增大，“多能谷”效應(yīng)將逐步向“共振態(tài)”效應(yīng)轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在國(guó)際期刊J. Phys.: Condens. Matter 27, 095501 (2015)。
本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（11404350），中國(guó)博士后基金（2014M551782），寧波市自然科學(xué)基金（2014A610003）和寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2014B82004）的支持。
Mn摻雜PbTe的能帶結(jié)構(gòu)和分波態(tài)密度
（先進(jìn)制造所 談小建）