Cu掺杂GaN基稀磁半导体的第一性原理研究

【摘要】：稀磁半导体材料可以同时利用电子的电荷和自旋这两个自由度作为信息载体,是自旋电子器件的关键材料,拥有广阔的应用前景。目前稀磁半导体材料面临的两个关键问题是磁性的产生机理和寻找高居里温度的稀磁半导体材料。宽禁带氮化物半导体GaN是一种理想的稀磁半导体材料。本论文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了Cu掺杂GaN体系的电子结构并分析其铁磁性起源。利用第一性原理结合平均场理论方法计算,研究了Cu掺杂GaN体系的磁性以及居里温度。主要研究结果如下： 首先,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了Cu掺杂GaN体系的磁矩分布,结果表明,Cu原子和N原子之间存在铁磁序耦合,使得体系具有明显的铁磁性。对于掺杂浓度为x=6.25%的(Ga1-xCux)N,通过计算体系的电子结构分析其磁性起源,Cu原子的d电子轨道和近邻的N原子的p电子轨道杂化产生自旋交换劈裂,Cu的3d轨道被部分占据,因而具有净磁矩。 其次,利用第一性原理结合平均场理论,研究了Cu掺杂的GaN体系中空穴载流子和掺杂原子Cu的sp-d交换作用以及Cu-Cu之间的直接交换作用,计算了体系与温度相关的磁性,得到其居里温度Tc随Cu掺杂浓度及空穴载流子密度变化的函数关系。结果显示非磁性的Cu掺杂的GaN能具有室温铁磁性。计算表明这一系统的铁磁性可以通过控制Cu掺杂浓度及空穴载流子密度来调控,且预测的体系居里温度与实验结果基本一致。 总之,第一性原理计算结果表明：Cu掺杂GaN宽禁带半导体具有明显的铁磁性,其铁磁性与掺杂浓度和空穴载流子密度相关,可以通过调节掺杂浓度和空穴载流子密度提高居里温度。