稀磁半导体gacrn的第一性原理研究

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1、第8分会场光固化-9数字成像技术及其应用143一一☆====#=======}========；===；；===================；===一稀磁半导体(Ga，Cr)N的第一性原理研究蔺何段海明新疆大学物理系，乌鲁木齐，830046摘要本文运用原子团模型研究了稀磁半导体GaN掺Cr的局域电子结构和磁性，计算采用基于密度泛函理论的离散变分方法。计算结果表明Cr原子的磁矩随掺杂浓度有明显的变化，变化趋势和实验吻合。在包含两个Cr原子的体系中Cr原子之间是铁磁性耦合，每个Cr原子的磁矩与相同浓度下掺

2、杂一个Cr原子的磁矩相近。对于不同的掺杂浓度，Cr原子与最近邻N原子之间均为反铁磁偶合，Cr原子的3d电子与N原子的2p电子之间有很强的杂化，这和晶体的能带计算方法得到的结果一致。关键词计算物理学稀磁半导体密度泛函理论原子团模型现代信息技术通常利用电子的电荷特性来处理信息，然而对于信息的存储则使用的是电子的自旋特性。比如，由半导体材料制成的大规模集成电路和高频电子器件都是利用电子的电荷特性来进行信息的处理，而信息存储的任务则由硬盘、磁盘等一些由磁性材料制成的器件来完成。如果能够把电子的电荷性质和自旋性质结

3、合起来，使信息的处理和存储在同一块材料上完成，那么电子器件的功能一定能够得到提高。一般来讲，用于制作集成电路的半导体材料(如GaAs，GaN)内部并不包含磁性元素，所以这些材料是没有磁性的。我们可以将少量的磁性元素掺入这些半导体材料，从而改变半导体材料的性质，使其具有磁性，这样的半导体材料称为稀磁半导体(DMS)，它能够用来制作高频电子器件和光电子器件，如磁性传感器、存储器、光隔离器、光调节器等。稀磁半导体材料无论从学术角度还是应用角度上来说都是一种非常重要的材料，它的研究对于探索新的物理学领域和发展新一

4、代电子器件都有着重要意义。1998年科学家H．Ohno和他的小组将磁性元素Mn掺杂到非磁性的GaAs晶体中，他们证实了这种材料具有铁磁性，居里温度大约在110K。这项研究工作引发了许多科学家对DMS的研究兴趣。起初人们的研究兴趣集中在GaAs掺Mn，但是经过很多尝试，它的居里温度很难被提高到175K以上，这在很大程度上降低了该材料的应用价值。后来Dietl用Zener模型从理论上预测如果向GaN中掺Mn，且Mn的含量与GaAs掺Mn相同，则GaN将会有高于室温的居里温度。Dietl的理论预测引发了许多对G

5、aN掺Mn的实验和理论研究，Sasaki等人使用分子束外延方法制备了GaN掺Cr薄膜，测量显示它的居里温度已达到940K。最近实验上又发现GaN掺Cr[(Ga，Cr)N]薄膜材料的居里温度已达到900K，而且每个掺杂原子的磁矩随掺杂量有明显的变化，这样一来GaN就成为了一种重要的半导体材料。本文应用原子团模型对(Ga，Cr)N晶体进行了模拟，用第一性原理方法计算它的电子结构和磁性，并将计算结果与实验进行了比较。除了与实验比较，我们还与能带计算方法的结果进行了比较。文章第一部分介绍计算方法，第二部分是结果的

6、分析和讨论，第三部分是对全文的总结。144以科学发展观促进科技创新(下)=====。================_=======#===#============≈===；====一一、计算方法人们对稀磁半导体材料已经作了许多理论方面的研究，E．Kulatov等人用紧束缚线性Muffin—tin轨道方法(TB—LMTO)研究了(Ga，Mn)N在不同的Mn掺杂浓度下的电子结构和磁性。B．Sanyal等人利用从头计算方法研究了Mn掺杂的GaN的电子结构。Kronik等人采用密度泛函理论研究了GaN掺Mn的

7、电子结构。Jena等人利用TB—LMTO方法计算了Cr—GaN的电子结构和磁性质，计算表明cr原子之间是铁磁性耦合，Cr原子和最近邻的N原子之间为反铁磁性耦合，每个Cr原子的局域磁矩为2．69肛B。综上所述，可见大部分DMS的理论研究使用的是能带计算方法。一般来说，DMS中的磁性元素掺杂是不均匀的，然而能带计算方法首先假设磁性元素是均匀地掺杂到主体GaAs或GaN中，所以使用能带计算方法对于描述真实的DMS体系存在着一定的缺陷。我们使用原子团模型模拟晶体的性质，原子团是直接从晶体中截取出来的，它的体积相对

8、于晶体来说很小，因此它很适合用来模拟晶体的局域环境，通过对它的计算可以得到体系的局域电子结构和磁性。原子团中心部分的原子受原子团边界效应影响较小，因此将最感兴趣的掺杂原子Cr放在原子团中心。实验已经证实大部分掺杂Cr原子处在对Ga原子的取代位上，所以这里Cr原予占据Ga原子的位置。计算采用基于密度泛函理论的离散变分方法(DVM)，使用局域密度近似，数值原子基的变分轨道包括Ga的3d、4s、4p，N的2s、2q，以及Cr的3s、