氧化鋅基磁性半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和磁性研究.pdf

1、眾所周知，電子具有電荷和自旋兩種自由度。傳統(tǒng)的微電子學(xué)主要研究和控制電荷特性及其輸運(yùn)特性，極大地推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步和人類的發(fā)展。但是，傳統(tǒng)的微電子學(xué)只是利用了電子的電荷性質(zhì)，而忽略了電子的自旋屬性。隨著社會(huì)的發(fā)展，電子的自旋逐步受到重視。二十世紀(jì)八十年代末期，巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，極大地引發(fā)了科研工作者對(duì)磁性材料的興趣，并逐步形成了一門新的學(xué)科：自旋電子學(xué)。它是當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究種的熱點(diǎn)領(lǐng)域，將電子的電荷和自旋兩個(gè)自由度作為信息的載體，通過(guò)

2、對(duì)電荷和自旋的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，處理和存儲(chǔ)。
　　 鐵磁性半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，引起各界廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的制備方法為摻雜過(guò)渡金屬離子進(jìn)入半導(dǎo)體晶格，我們期望過(guò)渡族金屬離子提供磁矩，載流子或者半導(dǎo)體的某種缺陷能夠引起金屬離子間的鐵磁耦合作用，使半導(dǎo)體材料具有鐵磁性，并保留重要的帶隙。尋求具有本征的，高居里溫度(即鐵磁態(tài)與順磁態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度)的鐵磁性半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)的研究重點(diǎn)之一。摻雜最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料Si與Ge很

3、難實(shí)現(xiàn)高居里溫度的鐵磁性，主要原因是過(guò)渡族離子在這些半導(dǎo)體材料中的溶解度很低，缺陷態(tài)局域半徑不足以使得較遠(yuǎn)距離的過(guò)渡族離子產(chǎn)生鐵磁交換作用；此外，最近鄰的摻雜離子間往往會(huì)形成反鐵磁耦合作用。因此，實(shí)驗(yàn)上Si與Ge基磁性半導(dǎo)體研究沒(méi)有重大進(jìn)展。上世紀(jì)九十年代，首先在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料(如GaAs)研究中取得進(jìn)展，但其居里溫度仍低于室溫，不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。之后，以氧化物為代表的Ⅱ-Ⅵ族材料(如ZnO)也逐步得到重視。
　　 Z

4、nO是一種寬帶隙(3.4eV)、高激子束縛能(60meV)的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料，同時(shí)也是一種壓電材料，在光學(xué)方面也有很多用途。在過(guò)渡族元素?fù)诫s的ZnO材料中，實(shí)驗(yàn)報(bào)道的居里溫度跨度很大，從幾K到室溫不等，且對(duì)磁性的起源也有不同的解釋，還有一些得到順磁性的報(bào)道。如何得到本征的、居里溫度高于室溫的磁性半導(dǎo)體，以及磁性來(lái)源的物理機(jī)制，是我們研究重點(diǎn)。
　　 在本世紀(jì)初，對(duì)HfO2材料的研究發(fā)現(xiàn)，在非摻雜的HfO2中觀測(cè)到了鐵磁信號(hào)，認(rèn)

5、為是一種d0鐵磁性。在后來(lái)的研究中，在SnO2，TiO2，ZnO等氧化物中也發(fā)現(xiàn)了類似的非摻雜鐵磁性。大多數(shù)的研究者認(rèn)為，磁性是由體系中的缺陷引起的，如：陰離子空位，陽(yáng)離子空位，或是空位團(tuán)簇，填隙離子等等。但缺陷也有不同的價(jià)態(tài)，理論計(jì)算也表明，具有低形成能的缺陷不一定是中性的，并且，磁性也與缺陷的價(jià)態(tài)有關(guān)。
　　 ZnO作為一種具有光學(xué)應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料，其光學(xué)性質(zhì)與材料所受到的應(yīng)力有關(guān)。多數(shù)研究者認(rèn)為，拉伸應(yīng)力會(huì)使得光學(xué)帶隙

6、變窄，而壓縮應(yīng)力則讓帶隙變寬，能帶出現(xiàn)偏移。應(yīng)力作為一種技術(shù)手段，對(duì)過(guò)渡族金屬摻雜的ZnO材料磁性也會(huì)有影響，但具體的相關(guān)性還不清楚。
　　 目前對(duì)磁性半導(dǎo)體的理論研究主要有兩種方式：(1)模型化研究；(2)基于密度范函理論的第一性原理計(jì)算。本論文利用第一性原理計(jì)算軟件計(jì)算ZnO基的磁性半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，從能帶的角度研究磁性半導(dǎo)體中過(guò)渡族元素的耦合作用，分析磁性起源。由于密度范函理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，多種第一性原理計(jì)算原件

7、相繼誕生，如 Vasp、Castep、Siesta、Quantum-Espresso等。本論文使用Quantum-Espresso和Vasp軟件完成。
　　 在基于Mn摻雜的ZnO磁性半導(dǎo)體材料Zn1-xMnxO中，Mn原子易于相互靠近，并形成近鄰的反鐵磁耦合的團(tuán)簇，并且在Mn較遠(yuǎn)的情況下，磁相互作用消失，這對(duì)得到本征的、居里溫度較高的磁性半導(dǎo)體是非常不利的。而摻雜在ZnO中的C原子，能夠引入自發(fā)極化，并且磁極化分布比較廣泛。引

8、入C原子的Zn1-xMnxO中，Mn之間的最近鄰的磁耦合為鐵磁的，并且這種鐵磁耦合作用可以在Mn相距較遠(yuǎn)的情況下得以保持，從而實(shí)現(xiàn)本征的、高居里溫度的ZnO基磁性半導(dǎo)體。
　　 對(duì)于ZnO材料的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明，在無(wú)摻雜的ZnO中，我們研究發(fā)現(xiàn)，中性的Zn空位，負(fù)一價(jià)的Zn空位，O填隙都可引入磁矩，其中，前兩個(gè)是自發(fā)自旋極化，而后者為非自發(fā)自旋極化。因而，能夠引入非摻雜磁性的本征缺陷只有中性的或負(fù)一價(jià)的Zn空位兩種可能。進(jìn)一

9、步的磁耦合研究表明，中性Zn空位的磁耦合是順磁性的，鐵磁與反鐵磁耦合沒(méi)有明顯的能量?jī)?yōu)勢(shì)。而負(fù)一價(jià)的Zn空位之家的耦合則是鐵磁的，并且鐵磁耦合能保持在室溫以上。并且，在n型ZnO中，負(fù)一價(jià)的Zn空位的形成能比中性的要低。因此，非摻雜的ZnO中的磁性起源是負(fù)一價(jià)的Zn空位之間的鐵磁耦合作用。
　　 多數(shù)實(shí)驗(yàn)及理論研究表明，Zn1-xMnxO中，p型缺陷可以使得Mn之間為鐵磁耦合的。在本征的p型缺陷中，常見(jiàn)的有中性和負(fù)一價(jià)Zn空位兩種