1、以研究和控制電子的荷電特性及其輸運特性為主要內(nèi)容的微電子學，使人類進入了信息時代。在傳統(tǒng)微電子學之中，電子只是被當作電荷的載體，它的自旋特性一直未被引起重視。二十世紀八十年代末，巨磁電阻效應(GMR，Giantmagnetoresistance)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了磁存儲和磁記錄領域的革命，其重要的應用前景極大地激發(fā)了人們對磁性材料輸運的興趣，并在此基礎上逐漸形成了一門以研究、利用和控制自旋極化的電子輸運過程為核心的新興學科：自旋電子學(Spi

2、ntronics)。鐵磁性半導體是自旋電子學領域的關鍵材料，作為一種具有豐富物理內(nèi)涵和重要應用前景的新型電子材料，磁性半導體己成為自旋電子學這個新領域的研究熱點。磁性半導體通常是通過摻雜過渡族金屬元素TM如V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni等進入III-V族、II-VI族和IV族化合物或單質(zhì)，如InAs，GaAs，ZnO，Ti02,ZnTe，Ge，Si等得到的。早期研究中鐵磁性半導體材料的居里溫度非常低，一般在10K以下，這極大的限制了鐵

3、磁性半導體材料的實際應用。于是尋找具有高居里溫度的磁性半導體材料成為自旋電子學的研究重點之一。上世紀90年代，首先在III-V族半導體材料(如GaAs)的研究中取得了巨大的進展，但其居里溫度仍低于室溫。之后，對于以氧化物為代表的II-VI族材料和以碳化硅(SIC)為代表的W-W族材料的研究也相繼展開。碳化硅是一種IV-IV族的半導體材料，與當前主流的半導體材料硅材料具有相似的電子結(jié)構(gòu)，在制作工藝也相互兼容。但是，碳化硅中過渡金屬的摻雜濃

4、度低，容易出現(xiàn)相分離。磁化強度和居里溫度的提高受到了限制。
　　 本論文從量子力學第一性原理出發(fā)結(jié)合群論的分析方法，系統(tǒng)研究了碳化硅中空位缺陷的自旋極化、缺陷之間的磁耦合機制及缺陷的電荷態(tài)對自旋極化的調(diào)控作用。為揭示非摻雜(undoped)碳化硅的磁矩起源提供了理論依據(jù)，同時也為碳化硅鐵磁半導體材料提供新的思路。
　　 本論文主要的研究結(jié)果如下：
　　 (1).立方碳化硅(3C-SiC)中的陽離子空位(Vsi)具

5、有高，低自旋極化的電子態(tài)，不同價念具有不同的自旋極化和自旋耦合方式。-1價的硅空位(Vsi)-1具有S=3/2的自旋態(tài)，且空位之間傾向形成自旋反平行的排列（反鐵磁）；而-2價的硅空化(Vsi）-2則具有S=1的自旋念，傾向形成自旋平行的排列(鐵磁)?？梢酝ㄟ^控制碳化硅中n型摻雜的濃度來調(diào)控其中(Vsi)的電荷念，進而調(diào)控其自旋極化和自旋耦合。以氮原子摻雜為例，當N:Vsi=1:1時，Vsi處于-1價態(tài)，并具有S=3/2的自旋和反平行的自

6、旋排列；當N:Vsi=2:1時，Vsi處于-2價態(tài)，并具有S=1的自旋和平行的自旋排列。這為在3C-SiC中實現(xiàn)鐵磁性提供了新的思路。
　　 (2)理想的4H-SiC（不含空位缺陷）中A1原子替代Si原子的摻雜（p型摻雜）并不會引起缺陷態(tài)電子的自旋極化。但是，當其中存在Vsi缺陷時，A1原子摻雜改變了Vsi電荷態(tài)，誘發(fā)了Vsi自旋極化，Vsi磁矩的大小與Vsi和摻雜Al原子的相對位置有關。這解釋了實驗上發(fā)現(xiàn)的A1摻雜4H-SiC