氧化鋅基磁性半導體的電子結構和磁性研究.pdf

1、眾所周知，電子具有電荷和自旋兩種自由度。傳統的微電子學主要研究和控制電荷特性及其輸運特性，極大地推動了社會的進步和人類的發展。但是，傳統的微電子學只是利用了電子的電荷性質，而忽略了電子的自旋屬性。隨著社會的發展，電子的自旋逐步受到重視。二十世紀八十年代末期，巨磁電阻效應的發現，極大地引發了科研工作者對磁性材料的興趣，并逐步形成了一門新的學科：自旋電子學。它是當今凝聚態物理研究種的熱點領域，將電子的電荷和自旋兩個自由度作為信息的載體，通過

2、對電荷和自旋的調控，進而實現信息的傳輸，處理和存儲。
　　 鐵磁性半導體是自旋電子學領域的關鍵材料，引起各界廣泛關注。傳統的制備方法為摻雜過渡金屬離子進入半導體晶格，我們期望過渡族金屬離子提供磁矩，載流子或者半導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(即鐵磁態與順磁態的轉變溫度)的鐵磁性半導體是自旋電子學的研究重點之一。摻雜最常見的半導體材料Si與Ge很

3、難實現高居里溫度的鐵磁性，主要原因是過渡族離子在這些半導體材料中的溶解度很低，缺陷態局域半徑不足以使得較遠距離的過渡族離子產生鐵磁交換作用；此外，最近鄰的摻雜離子間往往會形成反鐵磁耦合作用。因此，實驗上Si與Ge基磁性半導體研究沒有重大進展。上世紀九十年代，首先在Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(如GaAs)研究中取得進展，但其居里溫度仍低于室溫，不能達到實際應用的要求。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族半導體材料，同時也是一種壓電材料，在光學方面也有很多用途。在過渡族元素摻雜的ZnO材料中，實驗報道的居里溫度跨度很大，從幾K到室溫不等，且對磁性的起源也有不同的解釋，還有一些得到順磁性的報道。如何得到本征的、居里溫度高于室溫的磁性半導體，以及磁性來源的物理機制，是我們研究重點。
　　 在本世紀初，對HfO2材料的研究發現，在非摻雜的HfO2中觀測到了鐵磁信號，認

5、為是一種d0鐵磁性。在后來的研究中，在SnO2，TiO2，ZnO等氧化物中也發現了類似的非摻雜鐵磁性。大多數的研究者認為，磁性是由體系中的缺陷引起的，如：陰離子空位，陽離子空位，或是空位團簇，填隙離子等等。但缺陷也有不同的價態，理論計算也表明，具有低形成能的缺陷不一定是中性的，并且，磁性也與缺陷的價態有關。
　　 ZnO作為一種具有光學應用前景的半導體材料，其光學性質與材料所受到的應力有關。多數研究者認為，拉伸應力會使得光學帶隙

6、變窄，而壓縮應力則讓帶隙變寬，能帶出現偏移。應力作為一種技術手段，對過渡族金屬摻雜的ZnO材料磁性也會有影響，但具體的相關性還不清楚。
　　 目前對磁性半導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算。本論文利用第一性原理計算軟件計算ZnO基的磁性半導體的電子結構，從能帶的角度研究磁性半導體中過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算機技術的迅猛發展，多種第一性原理計算原件

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簇，并且在Mn較遠的情況下，磁相互作用消失，這對得到本征的、居里溫度較高的磁性半導體是非常不利的。而摻雜在ZnO中的C原子，能夠引入自發極化，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相距較遠的情況下得以保持，從而實現本征的、高居里溫度的ZnO基磁性半導體。
　　 對于ZnO材料的電子結構計算結果表明，在無摻雜的ZnO中，我們研究發現，中性的Zn空位，負一價的Zn空位，O填隙都可引入磁矩，其中，前兩個是自發自旋極化，而后者為非自發自旋極化。因而，能夠引入非摻雜磁性的本征缺陷只有中性的或負一價的Zn空位兩種可能。進一

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有明顯的能量優勢。而負一價的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，負一價的Zn空位的形成能比中性的要低。因此，非摻雜的ZnO中的磁性起源是負一價的Zn空位之間的鐵磁耦合作用。
　　 多數實驗及理論研究表明，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，常見的有中性和負一價Zn空位兩種