過渡金屬鉻摻雜砷化鎵材料特性的第一性原理研究.pdf

1、稀磁半導體材料將電子的電荷屬性與自旋屬性相結(jié)合，同時具有優(yōu)越的電、磁、磁電和磁光等性能，使其在磁控和光控等新型器件領域有著廣闊的應用前景。砷化鎵(GaAs)作為一種重要的寬禁帶稀磁半導體基體材料，研究過渡金屬摻雜形成的異質(zhì)結(jié)以及參數(shù)對材料特性的影響，對開辟稀磁半導體新技術(shù)以及制備新型器件具有重要的意義。
　　論文采用基于第一性原理的密度泛函理論，對過渡金屬原子cr以替代Ga位形式摻雜閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs的材料特性進行了研究。分析討論

2、了不同摻雜濃度和相同濃度不同位置的摻雜對GaAs材料特性的影響，得到以下結(jié)論：
　　1.過渡金屬Cr摻雜GaAs形成半金屬材料，具有自旋向上和自旋向下的電子結(jié)構(gòu)。對于自旋向上的能帶結(jié)構(gòu)，部分能帶穿越了費米能級，帶隙消失，表現(xiàn)出金屬性；自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)仍然具有直接帶隙半導體特性，但禁帶引入了深能級使得寬度有所減小。通過對電子態(tài)密度的分析，發(fā)現(xiàn)Cr-3d以及As-4p電子在費米能級附近存在強烈的雜化，其中Cr-3d態(tài)隨著摻雜濃度的增

3、加，局域性逐漸減弱；p-d軌道的雜化交換作用使得自旋向上的電子和自旋向下的電子在費米面處的分布存在明顯的劈裂，自旋電子分別有序分布在費米面兩側(cè)。
　　2.摻雜濃度分別為3.13％、6.25%和12.5%時，自旋向下的禁帶寬度分別是0.73 eV、0.84 eV和0.87 eV，表明在較低摻雜濃度下，禁帶寬度隨著摻雜濃度的增加有增大的趨勢。此外，隨著摻雜濃度的增加，在0.5 eV之間GaAs材料逐漸表現(xiàn)出各向異性，光學性質(zhì)發(fā)生了較大

4、變化，吸收邊表現(xiàn)出明顯的紅移，靜態(tài)介電常數(shù)、靜態(tài)折射率、反射率都逐漸增加，對低能區(qū)的性質(zhì)影響較大，高能區(qū)的變化并不明顯；對能量損失最嚴重的位置仍然位于16.5 eV處，但損失強度比本征GaAs的增大。
　　3.摻雜體系的總磁矩主要是由過渡金屬Cr原子的引入產(chǎn)生的，自旋密度主要分布在Cr原子附近，并且誘發(fā)非磁性的Ga原子與As原子也產(chǎn)生了微量磁矩。隨著摻雜比例的增大，總磁矩幾乎是線性增大的而且接近玻爾磁子的整數(shù)倍，符合半金屬材料的的

5、特征。摻雜體系呈鐵磁基態(tài)，Cr原子磁矩的方向與Ga原子磁矩相同，與As原子磁矩反向，說明Cr原子與Ga原子互為鐵磁耦合，與As原子互為反鐵磁耦合，鐵磁耦合強度隨Cr原子之間距離的增大而減弱。
　　4. GaAs內(nèi)部摻雜距離相等的兩個Cr原子的兩種體系都具有半金屬性，表現(xiàn)出相同的線性光學行為，在GaAs表面摻雜兩個Cr原子時，體系表現(xiàn)出金屬性。Cr原子在材料內(nèi)部的摻雜位置對GaAs材料特性影響不明顯，Cr原子摻雜在材料表面時，由于表