缺陷对硫属半导体材料的磁性影响与调控研究

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具有室温铁磁性的稀磁半导体因其丰富的物理性质及在自旋电子学领域的潜在应用引起了广泛关注。过去的数十年间,大量关于d0型稀磁半导体材料的实验及理论研究得以发表,其中大多数理论预测工作均采用广义梯度近似进行。众所周知,广义梯度近似会严重低估半导体和绝缘体材料的带隙,故由其结果来判断材料的电子结构和磁性通常会产生错误的结果。而最近提出的修正的Becke-Johnson方法已被许多研究工作证明可以得到材料相对精确的带隙值。因此本文采用全势线性缀加平面波的方法,以修正的Becke-Johnson势能作为交换关联函数,对碳原子掺杂硫化镉块材及表面结构和氮原子掺杂硫化锌块材的电子结构和磁性进行深入研究。  对于CS(碳原子替代硫原子)掺杂硫化镉体系,计算结果表明含有CS缺陷的硫化镉块材及表面结构均为半金属铁磁体;单个CS缺陷导致硫化镉半导体具有2.00μB的总磁矩;电子结构表明体系稳定的铁磁性可归因于类似于p-d杂化的p-p耦合相互作用机制;而硫原子空位和CS缺陷(VS+CS)共存时掺杂体系是非磁性金属材料;对于CS掺杂硫化镉的非极性(10-10)表面结构,碳原子趋于占据表层的位置且杂质原子之间依然存在铁磁相互作用。  对于氮原子掺杂硫化锌体系,计算结果揭示NS缺陷(氮原子替代硫原子)可使硫化锌成为铁磁性金属材料,而反位NZn缺陷(氮原子替代锌原子)导致其变为非磁性金属材料;单个NS缺陷使得硫化锌具有0.85μB的总磁矩;电子结构表明体系的铁磁性主要源于类似于p-d杂化的p-p耦合相互作用;0.71eV的形成能表明NS掺杂硫化锌体系可能在实验中得以制备;硫原子空位和NS缺陷(VS+NS)的共存导致掺杂体系不具有磁性。  总之,研究结果表明可通过引入CS或NS缺陷使得传统的Ⅱ-Ⅵ族硫属半导体材料MS(M=Cd,Zn)具有铁磁性。
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