稀磁半導體材料的研究進展

稀磁半導體材料的研究進展

李自成的地質(zhì)學是一門新的理論和交叉學科，具有豐富的物理現(xiàn)象和巨大的應用價值。稀磁半導體材料在同一器件上結合了凝聚態(tài)的兩大分支:半導體(利用了電子電荷的自由度)和存儲材料(利用了電子自旋的自由度)。還有不少學者深入半導體材料的熱電性能研究以及納米金屬硫族半導體材料的研究。新近發(fā)展的自旋電子學期望在同1種物質(zhì)中同時運用電子的電荷和自旋,以GaAs/(Al,Ga)As系統(tǒng)為基礎的異質(zhì)結構對于新物理及其器件的發(fā)展提供了方便的測試平臺,從而為Ⅲ-Ⅴ族磁性半導體的引入打開了在當前已存在的光電器件基礎上利用多種多樣磁現(xiàn)象的大門。但是磁電子器件的工作環(huán)境要求磁性半導體的居里溫度(Tc)在室溫或室溫以上,而未經(jīng)低溫退火處理的(Ga,Mn)As樣品和(In,Mn)As樣品的最高Tc分別為110K和90K,遠不能滿足實際工作的要求。本征的GaAs材料中,Ga提供3個價電子,摻雜1個Mn離子可獲得1個空穴,為p型摻雜。隨后,在p型摻雜的(In,Mn)As中發(fā)現(xiàn)空穴導致的鐵磁性進一步激勵人們研究Ⅲ-Ⅴ基DMS的興趣。但是從實際應用的角度,合成具有較高居里溫度Tc(高于室溫)的DMS才具有較廣泛的用途。最近,SATO等在計算中預測了在Cr和Mn摻雜的GaAs中將出現(xiàn)較高的居里溫度Tc。但是直到最近,實驗報道的(Ga,Mn)As具有的最高Tc只有150K。本文作為理論研究沒有確定具體材料,而是對p型材料的居里溫度進行具體研究,得到的結果可望為獲得具有高居里溫度的DMS材料提供參考。1模型選擇1.1tm離子濃度從實驗報道可知,DMS的居里溫度是與過渡金屬(TM)的濃度以及空穴濃度成正比例的。根據(jù)DIETL等的研究:式中:x為TM離子的濃度;p為空穴濃度;C是與基質(zhì)材料有關的常數(shù)。1.2影響因素函數(shù)。影響局部比文獻中的理論證明,反鐵磁性交換作用對居里溫度有影響,具體的影響程度可由下面的函數(shù)來表示:式中:Tc0與Tc分別為不考慮和考慮反鐵磁性交換作用時的居里溫度;k為磁性離子濃度與空穴濃度的比值;y為反鐵磁性交換作用的相對強度。1.3空穴濃度對材料居里溫度的影響同種基質(zhì)材料在摻雜不同的金屬元素時,由式(1)可以看出,隨空穴濃度的增加,材料的居里溫度也升高。由式(2)可知,在考慮了反鐵磁性交換作用之后,居里溫度會降低,且降低的程度與空穴濃度有關。本文對同種基質(zhì)材料摻雜不同元素的居里溫度進行對比分析。2摻雜的情況為了使理論計算具有實用價值,選用室溫(300K)為計算溫度,并做如下表述和假設:1)記基質(zhì)材料中被取代原子的數(shù)密度為N,價電子數(shù)為c。2)摻入雜質(zhì)的濃度為x,摻入的雜質(zhì)完全取代基質(zhì)材料中被取代原子的位置。所有計算過程中,摻雜濃度的x相同。3)摻雜的雜質(zhì)在室溫下處于強電離溫度區(qū),摻入的雜質(zhì)完全電離,本征激發(fā)可忽略不計,此時的多子濃度等于雜質(zhì)電離所產(chǎn)生的多子濃度。4)記雜質(zhì)分別為A和B,A的價電子數(shù)為a,B的價電子數(shù)為b,則雜質(zhì)A對應低價元素,雜質(zhì)B對應高價元素。5)若a>c,則摻雜A為n型摻雜,若a<c,則摻雜A為p型摻雜;若b>c,則摻雜B為n型摻雜,若b<c,摻雜B為p型摻雜。6)本文僅討論p型摻雜的情況,即:a<c且b<c。7)設1個A原子摻雜時可得到s=c-a個空穴,1個B原子摻雜時可得到k=c-b個空穴,且s>k。2.1摻雜p型材料的居里溫度居里溫度的表達式(1)中,居里溫度Tc表示為摻雜濃度x和空穴濃度p的二元函數(shù)。分別計算雜質(zhì)A和B摻雜時的空穴濃度p:由于是p型摻雜,空穴濃度即為多子濃度,等于摻雜濃度x、基質(zhì)材料中被取代原子的數(shù)密度為N、1個原子摻雜時得到的空穴濃度s或k三者之積。即:摻雜A的空穴濃度為pA=sNx,摻雜B的空穴濃度為pB=kNx,則可以將居里溫度用下面的函數(shù)表示:令g=Tca/Tcb,將式(3)和式(4)代入,考慮本文的假設s>k,整理得:至此,本文的第1個結論由式(5)證明:不考慮反鐵磁性交換作用,同種基質(zhì)材料摻雜不同的金屬元素,低價元素摻雜形成的DMS材料其居里溫度較高?？紤]摻雜3d過渡金屬的情形,Cr只有1個價電子,Mn有2個價電子(其余的均大于/等于3個價電子,不予考慮),對于特定的基質(zhì)材料(如GaAs,Ga的價電子數(shù)為3),則摻雜Cr和Mn均能得到p型DMS材料,1個Cr原子參雜時可得到s個空穴,1個Mn原子參雜時可得到k個空穴,顯然s>k,由式(5),摻雜Cr的居里溫度高于摻雜Mn的居里溫度。這個計算結果與用平均場近似的海森堡模型計算的結果是相符合的。2.2u3000考慮反鐵磁性交換作用時的居里溫度居里溫度的表達式(2)給出了考慮反鐵磁性交換作用與不考慮反鐵磁性交換作用時,居里溫度的相對大小用反鐵磁性交換作用的相對強度y以及磁性離子濃度與空穴濃度的比值k的二元函數(shù)表示。分別計算磁性離子濃度kA與空穴濃度kB的比值k,則kA=Nx/SNx=1/s,kB=Nx/kNx=1/k。結合式(2)～(4),可以將考慮反鐵磁性交換作用時的居里溫度用下面的函數(shù)表示:令將式(6)和式(7)代入,整理得:即:至此,第2個結論由式(8)證明:考慮反鐵磁性交換作用,同種基質(zhì)材料摻雜不同的金屬元素時,低價元素摻雜形成的DMS材料其居里溫度較高。同樣考慮摻雜3d過渡金屬的情形,Cr只有1個價電子,Mn有2個價電子(其余大于或等于3個價電子的,均不予考慮),對于特定的基質(zhì)材料,假設摻雜Cr和Mn均能得到p型DMS材料,1個Cr原子參雜時可得到s個空穴,1個Mn原子參雜時可得到k個空穴,顯然s>k,由式(8)可知,摻雜Cr的居里溫度高于摻雜Mn的居里溫度。這個計算結果與用平均場近似的海森堡模型計算的結果是相符合的。3元素摻雜同基質(zhì)材料的fy函數(shù)2.1中不考慮反鐵磁性交換作用,不同元素摻雜時居里溫度的比值為g=Tca/Tcb,代表不考慮反鐵磁性交換作用時2種材料居里溫度的差別,2.2中考慮反鐵磁性交換作用,不同元素摻雜時居里溫度的比值為f(y)=TcA/TcB,代表考慮反鐵磁性交換作用時2種材料居里溫度的差別,將2種模型相比,可得到F(y)。將代入式(9),整理后可得F(y)的具體表達式如下:F(y)可以看作關于自變量y的函數(shù),s、k看作參變數(shù)。不同元素摻雜同種基質(zhì)材料形成的DMS材料,由于元素的價電子數(shù)不同,1個原子摻雜時的空穴數(shù)s、k也不同,g表示不考慮反鐵磁性交換作用其居里溫度的相對值,f(y)表示考慮反鐵磁性交換作用其居里溫度的相對值。F(y)=f(y)/g則表示考慮反鐵磁性交換作用居里溫度相對值與不考慮反鐵磁性交換作用居里溫度相對值之比。由此,F(y)的物理意義可描述為:低價元素摻雜與高價元素摻雜各自形成的DMS材料,在考慮反鐵磁性交換作用與不考慮反鐵磁性交換作用時的居里溫度的差別。根據(jù)式(10)可以得到即和式(11)說明:不同元素在同濃度同基質(zhì)材料摻雜形成的DMS材料中,低價元素摻雜形成的DMS材料其居里溫度高,在不考慮反鐵磁性交換作用時,居里溫度高出g倍;考慮反鐵磁性交換作用時,居里溫度高出f(y)倍,且有f(y)>g,即如圖1所示,在考慮反鐵磁性交換作用后,低價元素與高價元素摻雜分別形成的DMS材料的居里溫度的差別,比不考慮反鐵磁性交換作用時的相應居里溫度的差別更為明顯。式(12)證明F(y)是關于y的增函數(shù),其物理意義為:在考慮反鐵磁性交換作用后,低價元素摻雜形成的DMS材料的居里溫度,與高價元素摻雜形成的相應溫度的差別,比不考慮反鐵磁性交換作用時居里溫度的差別更為明顯;且這個差別隨反鐵磁性交換作用相對強度y的增加而增加。4u30