Zn0875Ni0125O稀磁半导体的磁性研究.docVIP

Ni掺杂ZnO稀磁半导体磁性的第一性原理研究 段晓鹏1, 李建祥, 刘康琦, 周娇, 何山, 周松, 彭骁寒, 苏芮琦梁培 (1. 华中科技大学电子科学与技术系, 武汉 430074) 摘要: 利用方法计算了Ni单掺杂和Ni与缺陷共掺杂ZnO体系的电子结构, 并分析了其磁性的起源. 计算结果显示, Ni掺杂ZnO表现出半金属态磁体材料特性, 半金属能隙约为1 eV, 且具有稳定的铁磁态. 另一方面, 缺陷的引入对体系的磁性有较大的影响. Ni掺杂ZnO的磁性特征和缺陷对其磁性稳定性的影响可以利用能级分裂与能带关系模型来解释, 即铁磁与反铁磁态能量差由电子在分裂后的能级上的占据态决定; 交换作用的载流子调控受分裂后的杂质能级与导带价带关系影响. 关键词: ZnO, 稀磁半导体, 第一性原理 中图分类号: O482.54 文献标识码: A First-principle Study on the Magnetic Property of Ni Doped ZnO Based Diluted Magnetic Semiconductor DUAN Xiaopeng1, LI Jianxiang, LIU Kangqi, ZHOU Jiao, HE Shan, ZHOU Song, PENG Xiaohan1, SU Ruiqi1, LIANG Pei (1. Department of Electronic Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China) Abstract: First Principle calculation is applied in the research into the magnetic property of Ni-doped and Ni-co-doped ZnO system. It is shown that the Ni-doped ZnO has a half-metallic electron state near the Fermi level and when co-doped with other defects, the results change a lot. According to the electric structure obtained from the calculation, a model regarding the splitting of the impurity energy level and its position relating to the valence and conduction band. This model demonstrates that the energy difference of ferromagnetic and anti-ferromagnetic moment is cause by the energy splitting and the mediation of the carriers is further affacted by the position of the impurity level. Keywords: ZnO, DMS, Doping, First principle calculation, Origin of Magnetism 收稿日期: *****; 修回日期:****** 项目基金: Innovative Foundation of Huazhong University of Science and Technology (Grant No. C2009Q007). 作者简介: 段晓鹏 (1987-), 男, 河南省濮阳市人, 本科 1 引 言 电子具有电荷与自旋的双重属性, 对其自旋属性的进一步深入应用被认为是未来电子器件发展方向之一[]. 自旋电子器件的研究涉及自旋电子的注入输运与探测, 而最有希望实现集成化自旋器件的材料是稀磁半导体(DMS). 它通过向半导体中掺入磁性或非磁性金属, 使材料在保持半导体特性的同时显示铁磁性, 在制备工艺上可以与现行半导体工艺兼容, 克服了利用磁性氧化物材料[]或磁性金属制备自旋器件在集成上的困难. ZnO基稀磁半导体是DMS中的一类, 由于ZnO材料优良的半导体性质和光学性质, 这类材料吸引了许多研究者的注意. Sharma等人[]在实验与计算两方面对Mn掺杂ZnO进行了研究, 并得到具有室温铁磁性的样品. 在文献[][][]中也报道了关于过渡金属(TM)掺杂ZnO的实验研究