锌空位诱导纤维状ZnO磁性的第一性原理研究：自旋极化O1–2p态的起源与机制

针对Zn空位(VZn)对纤维状ZnO磁性机制的争议，研究人员采用第一性原理DFT+U方法，揭示了氧富集条件下VZn更易形成，并首次提出自旋极化O1–2p态（兼具局域与巡游电子特性）是Zn35O36体系磁性的来源，为稀磁半导体设计提供了新理论框架。

　　

磁性材料领域长期存在一个关键争议：锌空位(V_Zn)如何影响纤维状氧化锌(ZnO)的磁性？传统理论如磁簇模型、载流子交换理论和束缚磁极化子(BMP)理论相互矛盾，尤其文献[14]提出的BMP机制与实验观测[15,16]直接冲突。这种分歧严重阻碍了稀磁半导体(DMS)在自旋电子学中的应用——这类兼具半导体和铁磁性的材料，被誉为下一代信息存储技术的核心。

为破解这一难题，内蒙古大学的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表研究，通过第一性原理密度泛函理论(DFT)+Hubbard U方法，系统分析了不同价态V_Zn^0/1?/2?对ZnO磁性的调控机制。研究采用72原子超胞模型(Zn₃₆O₃₆)，通过删除中心位点Zn原子构建V_Zn缺陷，结合氧/锌富集条件下的形成能计算，首次揭示了自旋极化O¹–2p态的双重电子特性是磁性起源的关键。

关键技术包括：1) 基于DFT+U的电子结构计算（U值针对Zn-3d和O-2p轨道优化）；2) 72原子超胞模型的几何优化与磁性分析；3) 不同化学势条件下V_Zn形成能比较；4) 自旋分辨态密度(PDOS)解析。

【理论模型】
构建的Zn₃₅O₃₆超胞显示，V_Zn导致晶格收缩（Ginger-Taylor效应），其中中性V_Zn⁰在氧富集条件下形成能最低（-0.32 eV），证实其热力学稳定性。

【晶体结构与磁性】
磁性矩分析表明，仅V_Zn⁰体系呈现0.72 μ_B净磁矩。PDOS揭示关键发现：对称性破缺的自旋极化O¹–2p态（位于费米能级附近）产生未配对电子，而常规O²–2p态无此特性。这种特殊电子态同时具备局域（受主）和巡游（施主）行为，完美解释了实验观测的高居里温度(~800 K)铁磁性。

【结论】
该研究确立了V_Zn诱导磁性的新机制：1) 氧富集环境促进V_Zn⁰形成；2) 自旋极化O¹–2p态是磁性本源；3) 该模型可推广至其他纤维状结构半导体。研究不仅解决了BMP理论与实验的矛盾，更为设计高性能DMS材料提供了明确靶点——通过调控氧化学势精确操纵V_Zn浓度，从而定制自旋极化2p态。

这项由Qingyu Hou、Hailan Li等完成的工作，得到国家自然科学基金(61964013)等支持，其价值在于将争议性的磁性机制转化为可工程化的材料设计原则，标志着稀磁半导体理论研究从现象描述迈向机理调控的新阶段。