鍺基與二氧化鉿基鐵磁半導體的電子結構和磁性研究.pdf

1、電子既是電荷的載體，又是自旋的載體。以研究和控制電子的荷電特性及其輸運特性為主要內容的微電子學，作為二十世紀人類最偉大的成就之一，極大地推動了社會的進步，使人類進入了信息時代。但是在傳統微電子學之中，電子只是被當作電荷的載體，它的自旋特性一直未被引起重視。二十世紀八十年代末，巨磁電阻效應（GMR，Giant magnetoresistance）的發現引發了磁存儲和磁記錄領域的革命，其重要的應用前景極大地激發了人們對磁性材料輸運的興趣，并

2、在此基礎上逐漸形成了一門以研究、利用和控制自旋極化的電子輸運過程為核心的新興學科：自旋電子學（Spintronics）。 鐵磁性半導體是自旋電子學領域的關鍵材料，傳統的制備方法為摻雜過渡金屬離子進入半導體的晶格，通過過渡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。早期研究中鐵磁性半導體材料的居里溫度非常低，一般在10 K以下，這極大的限制了鐵磁性半導體材料的實際應用。于是尋找具有高居里溫度的磁性半導體材料成

3、為自旋電子學的研究重點之一。上世紀90年代，首先在Ⅲ-Ⅴ族半導體材料（如GaAs）的研究中取得了巨大的進展，但其居里溫度仍低于室溫。之后，對于以氧化物為代表的Ⅱ-Ⅵ族材料和以Si、Ge為代表的Ⅳ族材料的研究也相繼展開。 Ge是一種Ⅳ族的半導體材料，與目前主流的半導體材料Si具有相似的電子結構，制作工藝也完全兼容。在Ⅳ族半導體材料中實現鐵磁性無疑會為實際應用帶來極大的便利。在對于MnxGe1-x材料的研究中，有關于磁性的起源，鐵

4、磁耦合的強弱等有不同的解釋，實驗報道的居罩溫度從幾十K到室溫各不相同。由于Mn元素與Ge元素可以形成具有鐵磁性的合金相，針對磁性來源于本征材料還是這些合金相的問題也展開了不同的討論。除了實現單晶MnxGe1-x磁性半導體外，多晶、非晶、納米晶等結構的MnxGe1-x磁性半導體也有相關報道。許多理論工作者采用第一性原理計算的方法分析了MnxGe1-x磁性半導體中磁性的起源。普遍認為Mn原子在Ge中易于形成反鐵磁耦合的團簇，這是在MnxGe

5、1-x材料中實現高居里溫度的鐵磁性的巨大障礙。 隨著半導體科學的快速發展，在補償金屬氧化物半導體（CMOS）技術中，傳統的SiO2基的門電極材料即將達到他們尺度上的極限。HfO2與ZrO2這類絕緣氧化物材料由于介電常數遠高于SiO2材料，因此是SiO2門電極良好的替代品。在高介電常數的研究領域里，HfO2材料一直得到廣泛的關注。在自旋電子學領域中，對于HfO2材料的研究起源于實驗上的一個發現，在無摻雜的HfO2中測量到了鐵磁信號

6、。這一現象起初被認為是一種d0鐵磁性，許多報道分析了該材料中可能引起局域磁矩的各種晶格缺陷。與此同時，也有報道指出這種鐵磁性是由實驗中引入的污染引起的。對于過渡金屬摻雜的HfO2材料的實驗研究認為磁性來源于過渡金屬的團簇，相關的理論研究還未見有報道。 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）基于密度泛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Ge基和HfO2基磁性半導體的電子結構，從能帶的

7、角度研究磁性半導體中過渡金屬的耦合作用，分析鐵磁性起源。由于密度泛函理論和計算機技術的迅速發展，多種第一性原理計算軟件相繼誕生，如Vasp、Castep、Siesta、Quantum-Espresso等。本論文使用Quantum-Espresso軟件包完成，該軟件包是基于密度泛函理論，利用平面波贗勢法計算電子結構的程序。 在基于Ⅳ族元素Ge的磁性半導體材料MnxGe1-x中，Mn原子易于相互靠近，并形成近鄰的反鐵磁耦合的團簇，這

8、種相互作用使得在MnxGe1-x材料中很難獲得較高居里溫度的鐵磁性。通過對體系自旋密度分布的分析發現，格點上自旋極化的電子之間總是存在自旋反向的現象。通過引入其他的雜質離子，如H填隙，作為這種自旋反向的橋梁，形成Mn-H-Mn的復合結構。H原子的1s態與Mn原子的價電子態產生強烈的雜化，改變了Mn原子的自旋極化分布，從而實現了Mn原子近鄰鐵磁序排列的穩定結構。 對于高介電常數材料HfO2的電子結構計算結果表明，在無摻雜的HfO2

9、中，僅依靠Hf空位和O空位等本征缺陷很難形成足夠強的長程鐵磁序。但是，在強氧化的環境中，很容易形成Co原子替位Hf原子的缺陷態。這些替位Co原子之間的相互作用普遍為鐵磁耦合作用，其中最近鄰排列的兩個替位Co原子的位型能量最低，是該系統的基態。Co原子之間的鐵磁交換作用是通過單斜HfO2結構中三重簡并的O原子傳遞的，在富電子的條件下，這種鐵磁交換作用會進一步增強。由于局域密度近似普遍會得到帶隙偏小和3d電子態能量偏高的結果，我們進一步使用