过渡金属掺杂 β -Ga2O3的电子结构和磁性能的第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0208

摘要/Abstract

摘要： 本文采用第一性原理计算方法系统地研究了Ga空位和3d过渡金属元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu掺杂对β-Ga₂O₃的几何结构、电子结构、稳定性及磁学性质的影响。计算结果表明，Ga空位和掺杂原子都使β-Ga₂O₃的几何结构产生了不同程度的局部畸变，但没有破坏β-Ga₂O₃自身结构的整体对称性。形成能计算结果表明，含Ga空位或掺杂原子的β-Ga₂O₃体系均是稳定的，并且在富O环境下更容易形成。更重要的，含Ga空位及Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni和Cu掺杂的β-Ga₂O₃体系基态是磁性的，其磁矩分别为2.51、0.67、0.12、3.00、2.05、1.00、1.00、1.92 μ_B。通过分析可知含Ga空位及Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni和Cu掺杂的β-Ga₂O₃体系的磁矩分布与空位或掺杂原子和近邻的氧原子杂化有关，其中过渡金属元素掺杂的β-Ga₂O₃体系中的磁矩主要来源于3d过渡金属掺杂原子的贡献。

关键词: β-Ga₂O₃; 过渡元素掺杂; 第一性原理; 密度泛函理论; 磁学性质; 电子结构

Abstract: In this paper， the first-principles calculation method was adopted to systematically investigate the effects of Ga vacancies and 3d transition metal elements Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni and Cu doping on the geometric structure， electronic structure， stability and magnetic properties of β-Ga₂O₃.The calculation results show that both Ga vacancies and doped atoms cause local distortions of different degrees in the geometric structure of β-Ga₂O₃， but do not destroy the overall symmetry of β-Ga₂O₃ structure. The formation energy calculation results indicate that β-Ga₂O₃ systems containing Ga vacancies or doped atoms are all stable and are more likely to be formed in an oxygen-rich environment. More importantly， the ground states of the β-Ga₂O₃ systems containing Ga vacancies and Ti， V， Cr， Mn， Fe， Ni and Cu doping are magnetic， with magnetic moments of 2.51， 0.67， 0.12， 3.00， 2.05， 1.00， 1.00 and 1.92 μ_B， respectively. Based on the analysis， it can be concluded that the magnetic moment distribution in β-Ga₂O₃ systems containing Ga vacancies or doped with Ti， V， Cr， Mn， Fe， Ni， and Cu is associated with the hybridization between the vacancy/dopant atom and its neighboring oxygen atoms. In transition metal-doped β-Ga₂O₃ systems， the magnetic moments primarily originate from the contribution of 3d transition metal dopants.

Key words: β-Ga₂O₃; transition metal doping; first-principle; density functional theory; magnetic property; electronic structure

中图分类号:

O469

王艳杰, 李豹, 宋俊辉, 何星灿, 王超, 杨帆, 闫兴振, 迟耀丹, 杨小天. 过渡金属掺杂 β -Ga₂O₃的电子结构和磁性能的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(3): 452-460.

WANG Yanjie, LI Bao, SONG Junhui, HE Xingcan, WANG Chao, YANG Fan, YAN Xingzhen, CHI Yaodan, YANG Xiaotian. First-Principles Study on Electronic Structure and Magnetic Properties of Transition Metal-Doped β -Ga₂O₃[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(3): 452-460.

图/表 8

图1 β-Ga2O3结构图。（a）过渡金属元素X掺杂八面体Ga位示意图；（b）以掺杂原子X为中心的八面体示意图

Fig.1 β-Ga2O3 structure diagram. （a） Schematic diagram of transition metal element X doping at octahedral Ga sites；（b） schematic diagram of octahedral centered on the doped atom X

图2 β-Ga2O3电子结构图。（a） β-Ga2O3能带图；（b） β-Ga2O3总态密度和分轨道态密度图

Fig.2 β-Ga2O3 electronic structure diagram. （a） Band diagram of β-Ga2O3；（b） total density and orbital-specific density diagrams of β-Ga2O3

表1 Ga31O48X体系掺杂原子与周围O原子键长dX-Oy、平均键长AX-O、八面体体积VX、其中X=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu；y=1、2、3、4、5、6

Table 1 Bond lengths dX-Oy of dopant atoms and surrounding O atoms in Ga31O48X system， average bond length AX-O， octahedral volume VX. Where X = Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu； y = 1， 2， 3， 4， 5， 6

System	d_X-O1/Å	d_X-O2/Å	d_X-O3/Å	d_X-O4/Å	d_X-O5/Å	d_X-O6/Å	A_X-O/Å	V_X/Å³
Ga₂O₃	1.94	2.02	1.98	2.08	2.08	1.98	2.01	10.67
Ga₃₁O₄₈Ti	1.93	2.05	1.96	2.09	2.09	1.96	2.01	10.59
Ga₃₁O₄₈V	1.91	2.02	1.96	2.06	2.06	1.96	2.00	10.30
Ga₃₁O₄₈Cr	1.94	2.00	1.96	2.03	2.03	1.96	1.99	10.24
Ga₃₁O₄₈Mn	1.90	1.95	1.94	2.01	2.01	1.94	1.96	9.81
Ga₃₁O₄₈Fe	1.89	1.95	1.94	2.00	2.00	1.94	1.95	9.65
Ga₃₁O₄₈Co	1.91	1.92	1.94	1.96	1.96	1.94	1.94	9.54
Ga₃₁O₄₈Ni	1.91	1.94	1.97	2.01	2.01	1.97	1.97	9.99
Ga₃₁O₄₈Cu	1.94	2.00	1.99	2.04	2.04	1.99	2.00	10.46

图3 β-Ga2O3体系差分电荷密度图。（a）Ga2O3；（b）Ga31O48；（c）~（j）β-Ga31O48X （X=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）体系差分电荷密度图

Fig.3 Differential charge density map of β-Ga2O3 system. （a） Ga2O3；（b） Ga31O48；（c）~（j） Ga31O48X （X=Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu） system

表2 Ga31O48和Ga31O48X（X=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）体系的带隙、磁矩，在富Ga和富O条件下的形成能（Ef（D）），自旋极化态和非自旋极化态之间的能量差（ΔEspin）

Table 2 Band gap， magnetic moment， formation energy （Ef（D）） under Ga-rich and O-rich conditions， spin polarized state and non-spin polarized state energy difference（ΔEspin） of Ga31O48 and Ga31O48X （X = Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu） system

System	Band gap/eV	Magnetic moment/μ_B	E_f（D）/eV		ΔE_spin/meV
System	Band gap/eV	Magnetic moment/μ_B	O-rich	Ga-rich	ΔE_spin/meV
Ga₃₁O₄₈	0.04×10^-1	2.51	3.79	7.62	-0.34
Ga₃₁O₄₈Ti	0.01	0.67	-5.01	-1.18	-0.13
Ga₃₁O₄₈V	0.03	-0.12	-2.89	0.95	-0.40
Ga₃₁O₄₈Cr	0.81	3.00	-2.96	0.87	-1.82
Ga₃₁O₄₈Mn	0.09	2.05	-1.80	2.03	-0.97
Ga₃₁O₄₈Fe	0.53	1.00	-0.63	3.20	-0.37
Ga₃₁O₄₈Co	1.36	0.09	-0.16	3.67	0
Ga₃₁O₄₈Ni	0.01	-1.00	0.92	4.75	-0.17
Ga₃₁O₄₈Cu	0.39	1.92	1.94	5.78	-0.33

图4 Ga31O48和Ga31O48X（X=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）体系自旋密度分布图。黄色和蓝色等高线分别代表自旋向上和自旋向下的自旋密度。红色和绿色球分别代表O和Ga原子，蓝色代表掺杂原子

Fig.4 Spin density distribution map of Ga31O48 and Ga31O48X （X = Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu） systems. The yellow and blue contour lines represent the spin density with spin up and spin down， respectively， the red and green spheres represent the O and Ga atoms， and the blue represents the doped atoms

图5 Ga31O48和Ga31O48X（X=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）体系总态密度和分轨道态密度图

Fig.5 Total density of states and orbital density of states of Ga31O48 and Ga31O48X （X = Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu） systems

图6 Ga31O48和Ga31O48X（X=Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu）体系的能带图，绿色虚线代表费米能级

Fig.6 Band diagrams of Ga31O48 and Ga31O48 X （X = Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu） systems. The green dotted line represents the Fermi level

参考文献 26

[1]	MILLÁN J， GODIGNON P， PERPIÑÀ X， et al. A survey of wide bandgap power semiconductor devices［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（5）： 2155-2163.
[2]	GREEN M A. The path to 25% silicon solar cell efficiency： history of silicon cell evolution［J］. Progress in Photovoltaics： Research and Applications， 2009， 17（3）： 183-189.
[3]	AJAYAN J， NIRMAL D. A review of InP/InAlAs/InGaAs based transistors for high frequency applications［J］. Superlattices and Microstructures， 2015， 86： 1-19.
[4]	NEUDECK P G， OKOJIE R S， CHEN L Y. High-temperature electronics： a role for wide bandgap semiconductors ［J］. Proceedings of the IEEE， 2002， 90（6）： 1065-1076.
[5]	HUDGINS J L， SIMIN G S， SANTI E， et al. An assessment of wide bandgap semiconductors for power devices［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2003， 18（3）： 907-914.
[6]	CAPAN I. Wide-bandgap semiconductors for radiation detection： a review［J］. Materials， 2024， 17（5）： 1147.
[7]	MUHAMMAD Z， WANG Y， ZHANG Y， et al. Radiation-tolerant electronic devices using wide bandgap semiconductors［J］. Advanced Materials Technologies， 2023， 8（2）： 2200539.
[8]	FLACK T J， PUSHPAKARAN B N， BAYNE S B. GaN technology for power electronic applications： a review［J］. Journal of Electronic Materials， 2016， 45（6）： 2673-2682.
[9]	STRITE S， MORKOÇ H. GaN， AlN， and InN： a review［J］. Journal of Vacuum Science & Technology B： Microelectronics and Nanometer Structures Processing， Measurement， and Phenomena， 1992， 10（4）： 1237-1266.
[10]	KHAN M A， CHEN Q， SUN C J， et al. Two-dimensional electron gas in GaN-AlGaN heterostructures deposited using trimethylamine-alane as the aluminum source in low pressure metalorganic chemical vapor deposition［J］. Applied Physics Letters， 1995， 67（10）： 1429-1431.
[11]	BERROTH M， BOSCH R. High-frequency equivalent circuit of GaAs FETs for large-signal applications［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1991， 39（2）： 224-229.
[12]	ZHENG W， JIA L M， HUANG F. Vacuum-ultraviolet photon detections［J］. iScience， 2020， 23（6）： 101145.
[13]	OZPINECI B， TOLBERT L. Smaller， faster， tougher［J］. IEEE Spectrum， 2011， 48（10）： 45-66.
[14]	MARUSKA H P， TIETJEN J J. The preparation and properties of vapor-deposited single-crystal-line GaN［J］. Applied Physics Letters， 1969， 15（10）： 327-329.
[15]	RICHTER E， GRÜNDER M， NETZEL C， et al. Growth of GaN boules via vertical HVPE［J］. Journal of Crystal Growth， 2012， 350（1）： 89-92.
[16]	BUI P T， VAN ON V， GUERRERO-SANCHEZ J， et al. A systematic study of GaSe monolayer doped/codoped with transition metals （Mn and Fe） and pnictogen atoms （P and As）［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 2025， 621： 172920.
[17]	DERIKVANDI Z， DADSETANI M. Effects of boron impurity on optical properties of zinc oxide nanosheets： a first-principles prediction［J］. International Journal of Modern Physics B， 2025， 39（18）： 2550154.
[18]	KHALAF A M， MOTLAK M， HUMADI M A， et al. First-principles analysis on the electronic structure， magnetic and optical properties of Fe-incorporated boron nitride zigzag nanotubes［J］. International Journal of Modern Physics B， 2025， 39（16）： 2550136.
[19]	WANG S F， XUE D， CHEN L Y， et al. Manipulating electronic， magnetic and optical properties of C₃N monolayer through doping a 4d series transition metal atom［J］. Computational Materials Science， 2025， 249： 113652.
[20]	QING X L， GUO J， LIU X X， et al. First-principles calculation and analysis of the magnetic and mechanical properties of Mo₂C with vacancy defects and substitutional doping［J］. Crystals， 2025， 15（1）： 33.
[21]	SANGALETTI L， MOZZATI M C， GALINETTO P， et al. Ferromagnetism on a paramagnetic host background： the case of rutile TM∶TiO₂ single crystals （TM = Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu）［J］. Journal of Physics Condensed Matter， 2006， 18（32）： 7643-7650.
[22]	KRESSE G， FURTHMÜLLER J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set［J］. Computational Materials Science， 1996， 6（1）： 15-50.
[23]	BLÖCHL P E. Projector augmented-wave method［J］. Physical Review B， 1994， 50（24）： 17953-17979.
[24]	GRIMME S， ANTONY J， EHRLICH S， et al. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction （DFT-D） for the 94 elements H-Pu［J］. The Journal of Chemical Physics， 2010， 132（15）： 154104.
[25]	KANG B K， MANG S R， GO D H， et al. Synthesis and characteristics of pure β-Ga₂O₃ and Tb³⁺ doped β-Ga₂O₃ hollow nanostructures［J］. Materials Letters， 2013， 111： 67-70.
[26]	YUAN H D， SU J， GUO R， et al. Contact barriers modulation of graphene/β-Ga₂O₃ interface for high-performance Ga₂O₃ devices［J］. Applied Surface Science， 2020， 527： 146740.

过渡金属掺杂 β -Ga₂O₃的电子结构和磁性能的第一性原理研究

First-Principles Study on Electronic Structure and Magnetic Properties of Transition Metal-Doped β -Ga₂O₃

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[1]	赵志洲, 苏尔琴, 王新喜, 周新圆, 张丽丽, 赵旭才. 基于第一性原理的(SnSe) _m /(SnS) _n 横向异质结电子结构与光学性质及应变效应研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(3): 461-474.
[2]	师道田, 孙晴, 钱叶旺, 刘传洋, 吴卫锋, 刘景景, 汪新建, 陈钟, 阮再冉, 王杨婧涵. 基于蒙特卡洛方法的β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管质子辐照效应研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(2): 233-240.
[3]	邹江, 谢泉. MgS的力学性质与p型缺陷的第一性原理计算[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(2): 307-313.
[4]	梁永福, 杨豫萍, 程学瑞. 全无机钙钛矿铯锡溴的光学性质研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(1): 103-110.
[5]	孔家栩, 林雪玲, 潘凤春. 剪切应变对Mn掺杂MoS₂电子结构和光学性质影响的理论研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(1): 128-141.
[6]	梁志强, 常蓉. 二维单层TiCuX₂(X=S, Se, Te)的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(1): 142-150.
[7]	冷昊宁, 孙霄霄, 穆柏旭, 宁丽娜. KNbO₃高压下相变行为的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(9): 1584-1592.
[8]	韩懿博, 吉旭, 井群, 朱宣恺, 艾孜再姆·吾布力塔依尔, 赵文豪, 曹鑫佳. YPO₄双折射率增益机制和晶格工程调控策略研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(9): 1547-1557.
[9]	宋昱杉, 陈浩, 李松, 杨明超, 杨松泉, 杨森, 周磊簜, 耿莉, 郝跃, 欧阳晓平. 低温超临界流体工艺对退化的Ni/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管电学性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(9): 1574-1583.
[10]	秦纪龙, 李向远, 张璐璐, 刘建新, 李瑞. 非化学计量比氧化钨（WO_3-_x）催化甲烷氧化制甲醇反应的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1441-1453.
[11]	李晓旭, 石蔡语, 沈磊, 曾光, 李晓茜, 陈宇畅, 卢红亮. β-Ga₂O₃纳米带场效应晶体管及日盲紫外光电探测器研究进展[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1352-1368.
[12]	王淳, 王坤, 宋相满, 任林, 张浩. 共掺杂β-Ga₂O₃导电性质第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1426-1432.
[13]	莫秋燕, 吴家隐, 荆涛. Pt修饰AlN单层对C₂H₆和C₆H₆吸附和气敏特性的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1050-1060.
[14]	刘劲松, 沈露, 任龙军, 黄希忠. 通过缺陷和应变工程控制Janus MoSSe的析氢反应[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1034-1041.
[15]	任龙军, 柴什虎, 王付远, 姜萍. 具有超高载流子迁移率单层C₂B₆的预测[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 850-856.