块体 $\alpha$-Li$_3$N 中的缺陷驱动磁性

基于密度泛函理论并结合局域自旋密度近似的从头算计算被用于研究块体 $\alpha$-Li$_3$N 中的缺陷驱动磁性。我们的计算表明块体 Li$_3$N 是一种非磁性半导体。考虑了两类锂空位（Li-I 和 Li-II），锂空位（无论是 Li-I 还是 Li-II 型）均可在 Li$_3$N 中诱导磁性，总磁矩为 1.0 $\mu_{\rm B}$，主要源于锂空位周围部分占据的 N-$p$ 轨道。缺陷形成能表明，位于 Li$_2$N 平面内的 Li-II 空位比 Li-I 空位在热力学上更稳定。锂空位的电子结构表现出半金属行为。另一方面，氮空位不诱导磁性，且其形成能大于锂空位。费米能级处氮空位衍生的能带主要由 Li 原子贡献。碳也掺杂于 Li-I 和 Li-II 位，预期碳在 Li-I 位掺杂比在 Li-II 位掺杂在热力学上更稳定。碳在 Li-I 位掺杂时诱导零磁矩的金属性，而在 Li-II 位被 C 杂质原子占据时观察到磁性，且 C 驱动的磁性也分布在 N 原子上。碳在 Li$_3$N 的 N 位掺杂时也可诱导半金属磁性，且其缺陷形成能小于 Li-II 位掺杂。我们还研究了 C 原子间的铁磁（FM）和反铁磁（AFM）耦合，并得出结论：FM 态比 AFM 态更稳定。