計算思路解析：實驗與第一性原理相結合，研究了SiC不同H誘導缺陷的幾何性質和電子性質。

研究背景

SiC被氫輻射之后會產生不同類型的缺陷，簡單的缺陷包括Si、C空穴，Si和C間隙，Si和C反向位點等。

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研究發現，用H持續輻射SiC，SiC中缺陷數目會隨之增加，其中一些缺陷是磁性缺陷。缺陷的相互作用是復雜的，它們之間的相互作用可能會改變缺陷特征。

計算內容

作者通過第一性原理，采用MedeA-VASP模塊系統地研究了SiC含不同氫誘導缺陷體系的磁性。

作者采用MedeA-VASP模塊對SiC進行結構優化。

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圖1，H原子在SiC晶胞A、B、D三處插入。對于單個H原子的插入結構經過優化后，C和Si原子向相反方向移動，一個C-Si鍵斷開，形成一個C-H鍵，這種氫誘導缺陷結構最穩定。

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圖1(b)-(f)結構均在Si₉₆C₉₆中插入一個H₂分子，圖1(b)-(d)經過優化后，這三種結構均沒有磁性。圖1(e)和(f)這兩種結構均有磁性。

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圖1??SiC中H誘導缺陷模型。(a)黑球代表C原子，黃球代表Si原子，紅球A、B、D代表H原子可能插入的位置；兩個H原子距離分別是0.0762?nm?(b),?0.276?nm?(c),?0.352?nm?(d),?0.930?nm?(e)及1.238?nm?(f)。

電子結構

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作者采用MedeA-VASP計算了H插入到SiC不同位置結構的態密度（DOS）和能帶結構，如圖2。

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圖2?(a)為HSi₄₈C₄₈能帶結構，沒有考慮自旋極化，結果發現雜質能帶處于導帶最低處下方約0.2?eV。

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圖2?(b)為考慮自旋極化的HSi₄₈C₄₈能帶結構，雜質能帶分裂成兩個能級，一個位于費米能級下方，一個位于上方。計算結果表明孤立H缺陷是一個磁性缺陷，磁距為1μB。隨后作者又計算了HSi₄₈C₄₈的DOS，見圖2(c)，費米能級處的最高峰可以解釋磁性的來源。

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圖2??SiC中有1個H誘導缺陷結構：(a)未考慮自旋極化的能帶結構，(b)?考慮自旋極化的能帶結構，(c)?DOS圖。

作者又研究了SiC中含1個H誘導缺陷的電荷密度，圖3給出了此體系的自旋密度圖。自旋電荷密度主要局域在缺陷周圍，直徑約是0.930?nm。

作者發現如果2個H誘導缺陷距離在0.930?nm之內，它們的自旋電子將會重疊并相互作用。

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圖3??SiC中含一個H誘導缺陷結構的自旋密度圖(0.008?eV/A3)。每個缺陷周圍等值面直徑約是0.930?nm。Si原子是藍色，C原子是棕色，H原子是灰色。

圖4(a)為考慮自旋極化后的H₂Si₉₆C₉₆能帶結構，與圖2(b)相似，這說明2個H缺陷和1個H缺陷對SiC的影響不大。

圖中顯示自旋向上和自旋向下缺陷狀態相同，磁距抵消。圖4(b)，H₂Si₉₆C₉₆（2個H間隔1.238?nm）有4個能帶：2個處于費米能級下方，另外2個位于上方。此結構有磁性，磁距為2μB。

研究發現，2個H缺陷（距離為1.238?nm）之間的相互作用很弱。

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圖4??含2個H誘導缺陷SiC能帶結構，(a)?2個H距離最近?(b)?2個H距離最遠。

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.