Cr、Mn摻雜AlN和GaN半金屬性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是一門最新發(fā)展起來的涉及磁學(xué)、電子學(xué)以及信息學(xué)的交叉學(xué)科，它同時(shí)利用電子的電荷和自旋來進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和處理。自旋電子器件與普通半導(dǎo)體電子器件相比具有非易失性、低功耗和高集成度等優(yōu)點(diǎn)。目前的關(guān)鍵問題之一是要尋找具有高自旋極化率、高居里溫度的自旋電子材料。而AlN和GaN半導(dǎo)體具有較寬的帶隙，通過摻雜過渡金屬(Cr、Mn等)可以得到較高的居里溫度和高自旋極化率(100％)的半金屬材料，因此，AlN和GaN基稀磁半導(dǎo)體(半金屬)在自

2、旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法，計(jì)算Cr、Mn替代式摻雜纖鋅礦和閃鋅礦AlN和GaN的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等性質(zhì)，系統(tǒng)研究Cr、Mn摻雜AlN和GaN的半金屬磁性機(jī)理，分析摻雜濃度對(duì)半金屬能隙的影響，得到的主要結(jié)果如下：
　　 (1)Cr(Mn)-AlN具有比較寬的半金屬能隙，而Cr(Mn)-GaN的半金屬能隙相對(duì)較小。主要原因是GaN比AlN的半導(dǎo)體能隙小，而且C

3、r(Mn)-GaN的自旋向下子帶受Ga-4s和Ga-4p軌道影響較大，并向費(fèi)米能級(jí)展寬，導(dǎo)致其半金屬能隙比較小。
　　 (2)同等摻雜濃度下，Mn-Al(Ga)N比Cr-Al(Ga)N的半金屬能隙大。這是因?yàn)镸n的d態(tài)能級(jí)比Cr低，Mn-3d與N-2p雜化更強(qiáng)，導(dǎo)致自旋交換劈裂更大，因此Mn-Al(Ga)N的自旋向下子帶相對(duì)遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，使其半金屬能隙較大。
　　 (3)對(duì)于纖鋅礦和閃鋅礦Cr(Mn)-AlN，Cr(Mn

4、)-3d態(tài)對(duì)自旋向下子帶導(dǎo)帶底的能量位置起決定作用，即決定半金屬能隙的大小。在6.25％～25％的摻雜濃度范圍內(nèi)，隨著摻雜濃度的增大，Cr(Mn)-AlN的半金屬能隙逐漸減小：纖鋅礦Mn-AlN的半金屬能隙從1.49eV減小到0.95eV，閃鋅礦Mn-AlN的半金屬能隙從1.56eV減小到1.08eV，纖鋅礦Cr-AlN的半金屬能隙從1.13eV減小到0.79eV，閃鋅礦Cr-AlN的半金屬能隙從0.69eV減小到0.56eV。主要原因

5、是隨著摻雜濃度的增大，Cr(Mn)原子間相互作用增強(qiáng)，Cr(Mn)-3d態(tài)向兩邊展寬，導(dǎo)致自旋向下子帶導(dǎo)帶底的能量位置下降，從而半金屬能隙變窄。而對(duì)于纖鋅礦和閃鋅礦Cr(Mn)-GaN，決定其半金屬能隙的自旋向下子帶主要來自Cr-3d、N-2p雜化，同時(shí)受Ga-4s、Ga-4p軌道影響較大，在摻雜濃度增大時(shí)，Cr(Mn)原子之間的相互作用對(duì)半金屬能隙的影響不夠明顯。因此，Cr(Mn)-GaN的半金屬能隙隨摻雜濃度的變化比較小。在6.25

6、％～25％的摻雜濃度范圍內(nèi)，纖鋅礦Mn-GaN的半金屬能隙在0.85～0.71eV之間，閃鋅礦Mn-GaN的半金屬能隙在0.74～0.65eV之間，纖鋅礦和閃鋅礦Cr-GaN的半金屬能隙在0.2eV左右，都與摻雜濃度的關(guān)系不大。
　　 本文的計(jì)算結(jié)果和已有的研究結(jié)果符合得比較好，說明我們的計(jì)算方法是可靠和可行的。另外我們還得出了一些新的計(jì)算結(jié)果和新規(guī)律，并嘗試做出解釋。雖然這些還有待理論或?qū)嶒?yàn)上的驗(yàn)證，但對(duì)于進(jìn)一步研究AlN和G