论文部分内容阅读
本文首先概述了稀磁半导体近年来的发展,给出了目前正在研究的存储器件的基本原理。然后,论述了了基于平均场近似的唯象理论,及其建立基础,给出了本研究主要使用的DFT方法TB-LMTO-ASA概要。采用DFT计算中的TB-LMTO-ASA方法具体分析了(Ga,Fe)As的磁,及其结构特性,与广泛研究的(Ga,Mn)As进行了计算对比,并与相关报道的其它计算结果作了比较。结果表明,对于具有立方对称性结构的稀磁半导体,自旋-轨道耦合对材料特性的影响不大,LSDA近似可以给出令人满意的结果。在此基础上,对计算结果的比较发现,对于实验上两种典型的材料(无附加注入条件下),n型(Ga,Fe)As与p型(Ga,Mn)As在磁特性上存在很大差异。
(Ga,Mn)As的基态始终具有铁磁性质,且单胞内磁矩保持恒定,不随所研究的浓度而改变。对它的态密度分析表明,(Ga,Mn)As在理想情况下具有理想的半金属特性,费米能级附近存在强的Mnd态与As4p态杂化。相对而言,(Ga,Fe)As的磁特性随浓度而发生变化,高浓度下倾向于稳定的反铁磁性基态,低浓度下(Fe掺杂小于1/8)呈现较弱的铁磁性基态。态密度分析表明,(Ga,Fe)As在理想情况下具有弱金属特性,费米能级附近,Fed态与As4p态杂化亦很微弱。由此可见,过渡金属d态与GaAs价带态之间的杂化对于材料的铁磁性起着重要作用。目前为止,除高温下存在铁离子簇化的样品外,实验上没有明显的铁磁性(Ga,Fe)As,可能存在如下原因:首先,在所考虑的理想状态,对于x=1/8,尽管铁磁态在能量上略占优势,但其与反铁磁AFM态的能量差几乎可以忽咯,即使存在铁磁态,Tc将会很小而不易测量。其次,在真实的样品中,材料的特性会受到各种条件的影响,如局域缺陷;可能存在着FeAs,Fe2As及FeAs2等杂相而影响到微弱的铁磁性。更重要的是考虑到计算结果对浓度的依赖,样品中的替代无序亦可能增加AFM态的竞争性。
最后,简单概述了其它室温稀磁半导体的进展,如(Ga,M)N,(Zn,M)O,M=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni等,除较高的Tc外(如Ga1-xMnxN,x=0.09,Tc=940K),DFT计算表明,他们的态密度已呈现出与GaAs基的DMSs极其不同的特征,基于(Ga,Mn)As的载流子调制铁磁性模型完全不能适用。目前,这些室温DMS的机制仍在研究之中,另外,也概略回顾了DFT计算所取得的成就,显示出DFT在以下方面是一个不可替代的工具;1)提供对材料特性的微观解释,2)预测新的材料,3)为唯象模型提供必要的参量。