過渡金屬鉻摻雜砷化鎵材料特性的第一性原理研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體材料將電子的電荷屬性與自旋屬性相結(jié)合，同時(shí)具有優(yōu)越的電、磁、磁電和磁光等性能，使其在磁控和光控等新型器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。砷化鎵(GaAs)作為一種重要的寬禁帶稀磁半導(dǎo)體基體材料，研究過渡金屬摻雜形成的異質(zhì)結(jié)以及參數(shù)對(duì)材料特性的影響，對(duì)開辟稀磁半導(dǎo)體新技術(shù)以及制備新型器件具有重要的意義。
　　論文采用基于第一性原理的密度泛函理論，對(duì)過渡金屬原子cr以替代Ga位形式摻雜閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs的材料特性進(jìn)行了研究。分析討論

2、了不同摻雜濃度和相同濃度不同位置的摻雜對(duì)GaAs材料特性的影響，得到以下結(jié)論：
　　1.過渡金屬Cr摻雜GaAs形成半金屬材料，具有自旋向上和自旋向下的電子結(jié)構(gòu)。對(duì)于自旋向上的能帶結(jié)構(gòu)，部分能帶穿越了費(fèi)米能級(jí)，帶隙消失，表現(xiàn)出金屬性；自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)仍然具有直接帶隙半導(dǎo)體特性，但禁帶引入了深能級(jí)使得寬度有所減小。通過對(duì)電子態(tài)密度的分析，發(fā)現(xiàn)Cr-3d以及As-4p電子在費(fèi)米能級(jí)附近存在強(qiáng)烈的雜化，其中Cr-3d態(tài)隨著摻雜濃度的增

3、加，局域性逐漸減弱；p-d軌道的雜化交換作用使得自旋向上的電子和自旋向下的電子在費(fèi)米面處的分布存在明顯的劈裂，自旋電子分別有序分布在費(fèi)米面兩側(cè)。
　　2.摻雜濃度分別為3.13％、6.25%和12.5%時(shí)，自旋向下的禁帶寬度分別是0.73 eV、0.84 eV和0.87 eV，表明在較低摻雜濃度下，禁帶寬度隨著摻雜濃度的增加有增大的趨勢(shì)。此外，隨著摻雜濃度的增加，在0.5 eV之間GaAs材料逐漸表現(xiàn)出各向異性，光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大

4、變化，吸收邊表現(xiàn)出明顯的紅移，靜態(tài)介電常數(shù)、靜態(tài)折射率、反射率都逐漸增加，對(duì)低能區(qū)的性質(zhì)影響較大，高能區(qū)的變化并不明顯；對(duì)能量損失最嚴(yán)重的位置仍然位于16.5 eV處，但損失強(qiáng)度比本征GaAs的增大。
　　3.摻雜體系的總磁矩主要是由過渡金屬Cr原子的引入產(chǎn)生的，自旋密度主要分布在Cr原子附近，并且誘發(fā)非磁性的Ga原子與As原子也產(chǎn)生了微量磁矩。隨著摻雜比例的增大，總磁矩幾乎是線性增大的而且接近玻爾磁子的整數(shù)倍，符合半金屬材料的的

5、特征。摻雜體系呈鐵磁基態(tài)，Cr原子磁矩的方向與Ga原子磁矩相同，與As原子磁矩反向，說明Cr原子與Ga原子互為鐵磁耦合，與As原子互為反鐵磁耦合，鐵磁耦合強(qiáng)度隨Cr原子之間距離的增大而減弱。
　　4. GaAs內(nèi)部摻雜距離相等的兩個(gè)Cr原子的兩種體系都具有半金屬性，表現(xiàn)出相同的線性光學(xué)行為，在GaAs表面摻雜兩個(gè)Cr原子時(shí)，體系表現(xiàn)出金屬性。Cr原子在材料內(nèi)部的摻雜位置對(duì)GaAs材料特性影響不明顯，Cr原子摻雜在材料表面時(shí)，由于表