AlN基稀磁半導(dǎo)體的第一性原理計(jì)算.pdf

1、傳統(tǒng)的電子元件，比如二極管和三極管，它們的信息載體都是電子電荷，電子的自旋沒(méi)有被利用。近些年來(lái)，半導(dǎo)體自旋電子學(xué)(spintronics)的研究表明，稀磁半導(dǎo)體(DMS)能夠同時(shí)利用電子的電荷和自旋來(lái)進(jìn)行信息的處理和存儲(chǔ)，在磁學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。理想的稀磁半導(dǎo)體應(yīng)具有良好的室溫鐵磁性，但目前由于實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差等原因，一直未能得到廣泛的應(yīng)用，這就首先需要從理論上對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性

2、能得到了極大的提高，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)新型功能材料成為可能。本文的工作是借助計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)了具有良好室溫鐵磁性的新一代AlN基稀磁半導(dǎo)體材料，為實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。 采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，首先計(jì)算了AlN晶胞的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，得到了與實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果，并為后面的計(jì)算提供了良好的參數(shù)設(shè)置。隨后采用超原胞方法搭建了AlN的空位模型，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知，含Al空位的AlN存在自旋極化態(tài)，可以使AlN產(chǎn)生半金

3、屬鐵磁性，磁矩為1.0μB，主要來(lái)自于空位周?chē)乃膫€(gè)N原子的p軌道電子，而本征態(tài)和N空位的AlN均不存在自旋極化態(tài)，沒(méi)有磁性；Al空位的形成能低于N空位的形成能，空位也不會(huì)引起AlN光學(xué)性能的根本性變化。 通過(guò)對(duì)采用超原胞方法搭建的Al<,15>MN<,16>(M=Mg、Cu、Zn、Pd)四種體系模型的計(jì)算，得知這四種體系都存在自旋極化態(tài)，均具有半金屬鐵磁性，但磁矩大小和來(lái)源均有所不同。Al<,15>MgN<,16>和Al<,1

4、5>ZnN<,16>的磁矩均為1.0μB，主要來(lái)源于Mg或Zn周?chē)乃膫€(gè)N原子的p軌道電子，而Al<,15>CuN<,16>和Al<,15>PdN<,16>的磁矩均為2.0μB，主要來(lái)源于Cu或Pd的d軌道電子與N原子的p軌道電子發(fā)生的雜化作用，且Mg、Cu、Zn、Pd摻雜不會(huì)引起AlN光學(xué)性能的根本性變化；這四種體系的形成能關(guān)系應(yīng)為Al<,15>MgN<,16>CuN<,16>ZnN<16>