过渡金属铬掺杂砷化镓材料特性的第一性原理研究
稀磁半导体材料将电子的电荷属性与自旋属性相结合，同时具有优越的电、磁、磁电和磁光等性能，使其在磁控和光控等新型器件领域有着广阔的应用前景。砷化镓(GaAs)作为一种重要的宽禁带稀磁半导体基体材料，研究过渡金属掺杂形成的异质结以及参数对材料特性的影响，对开辟稀磁半导体新技术以及制备新型器件具有重要的意义。 论文采用基于第一性原理的密度泛函理论，对过渡金属原子cr以替代Ga位形式掺杂闪锌矿结构GaAs的材料特性进行了研究。分析讨论了不同掺杂浓度和相同浓度不同位置的掺杂对GaAs材料特性的影响，得到以下结论： 1.过渡金属Cr掺杂GaAs形成半金属材料，具有自旋向上和自旋向下的电子结构。对于自旋向上的能带结构，部分能带穿越了费米能级，带隙消失，表现出金属性；自旋向下的能带结构仍然具有直接带隙半导体特性，但禁带引入了深能级使得宽度有所减小。通过对电子态密度的分析，发现Cr-3d以及As-4p电子在费米能级附近存在强烈的杂化，其中Cr-3d态随着掺杂浓度的增加，局域性逐渐减弱；p-d轨道的杂化交换作用使得自旋向上的电子和自旋向下的电子在费米面处的分布存在明显的劈裂，自旋电子分别有序分布在费米面两侧。 2.掺杂浓度分别为3.13％、6.25%和12.5%时，自旋向下的禁带宽度分别是0.73 eV、0.84 eV和0.87 eV，表明在较低掺杂浓度下，禁带宽度随着掺杂浓度的增加有增大的趋势。此外，随着掺杂浓度的增加，在0.5 eV之间GaAs材料逐渐表现出各向异性，光学性质发生了较大变化，吸收边表现出明显的红移，静态介电常数、静态折射率、反射率都逐渐增加，对低能区的性质影响较大，高能区的变化并不明显；对能量损失最严重的位置仍然位于16.5 eV处，但损失强度比本征GaAs的增大。 3.掺杂体系的总磁矩主要是由过渡金属Cr原子的引入产生的，自旋密度主要分布在Cr原子附近，并且诱发非磁性的Ga原子与As原子也产生了微量磁矩。随着掺杂比例的增大，总磁矩几乎是线性增大的而且接近玻尔磁子的整数倍，符合半金属材料的的特征。掺杂体系呈铁磁基态，Cr原子磁矩的方向与Ga原子磁矩相同，与As原子磁矩反向，说明Cr原子与Ga原子互为铁磁耦合，与As原子互为反铁磁耦合，铁磁耦合强度随Cr原子之间距离的增大而减弱。 4. GaAs内部掺杂距离相等的两个Cr原子的两种体系都具有半金属性，表现出相同的线性光学行为，在GaAs表面掺杂两个Cr原子时，体系表现出金属性。Cr原子在材料内部的掺杂位置对GaAs材料特性影响不明显，Cr原子掺杂在材料表面时，由于表面态的原因，表现出与内部掺杂不同的性质。
砷化镓;过渡金属铬;掺杂浓度;第一性原理;自旋电子结构;线性光学性质;磁学特性
西安理工大学
硕士
物理电子学
马德明;王伟
2016
中文
TN304.23
69
2017-04-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）