ZnO基稀磁半導體高溫鐵磁性及其缺陷調控機理.pdf

1、隨著自旋電子學的發展,稀磁半導體由于兼容傳統半導體以及具備同時操縱電荷和自旋的可能性,受到了各國科學家的廣泛關注。目前,典型的稀磁半導體(例如:過渡金屬元素Mn摻雜的GaAs/InAs)具有很低的鐵磁居里溫度(Tc﹤172K)。因此,在實現廣泛應用的過程中遇到的最大難題是如何有效的從本質上提高稀磁半導體的鐵磁居里溫度(Tc)。有趣的是,在基于ZnO的稀磁半導體中理論預測了其存在室溫鐵磁性的可能性。這導致了近年來人們對ZnO基稀磁半導體的

2、大量探索。本文通過基于密度泛函理論的第一性原理計算方法詳細研究了在雜質Cu和Ni共摻雜的ZnO半導體中鐵磁性調制機理以及在非磁性元素C摻雜的ZnO半導體(ZnO:C)中磁性變化機理。其主要內容包括:
　　首先詳細研究了雜質Cu對Ni摻雜的ZnO體系(ZnO:Ni)鐵磁性的調制機理。研究結果表明:在Cu摻雜的ZnO:Ni體系中,雜質Cu對Ni-Ni磁性相互作用具有一個遠程的調制作用并且能顯著地增強體系的鐵磁穩定性。這樣的調制對于提高

3、ZnO基稀磁半導體的鐵磁居里溫度是非常有益的。進一步的分析表明Cu在ZnO:Ni中誘導的磁矩對于鐵磁穩定性的提高是必不可少的。自旋極化的Cu雜質類似于一個新增的通道有效地促進了Ni雜質之間自旋極化的滲透。因此,與ZnO:Ni體系相比,Cu和Ni共摻雜的ZnO半導體具有了更強的鐵磁穩定性。
　　其次研究了在非磁性元素C摻雜的ZnO半導體中由附加缺陷所導致的磁性變化機理。作為例子,主要探討了空位缺陷對于ZnO:C磁性的影響。研究表明:

4、Zn空位的存在明顯地增加了C所導致的磁矩,然而O空位的存在能夠抑制這個磁矩。這些磁矩的變化可以歸咎于在C和空位之間的電荷轉移以及他們之間的磁性相互作用。這個結果很好的解釋了在試驗中所觀測到的變化的C磁矩(1.3 Bμ-3.0Bμ)。為了能精確地調控ZnO:C的鐵磁性,進一步考慮了替位缺陷Li和Al調制的作用。研究表明:少量的雜質Al能進一步穩定ZnO:C鐵磁性。相反,雜質Li的出現使得ZnO:C的鐵磁性消失了。因此,在ZnO:C系統中磁