摻雜氮化鋁中局域磁矩的第一性原理計(jì)算

楊　紅，全秀娥

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

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摻雜氮化鋁中局域磁矩的第一性原理計(jì)算

楊紅，全秀娥

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

摘要：理想的稀磁半導(dǎo)體具有良好的室溫鐵磁性，氮化鋁(AlN)稀磁半導(dǎo)體雖然具有寬的帶隙和透光性，但由實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差等原因，一直未得到廣泛的應(yīng)用.采用基于密度泛函理論的第一性原理方法計(jì)算摻雜硼(B)的AlN中局域磁矩的變化規(guī)律.通過(guò)分析電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，摻雜B后的AlN稀磁半導(dǎo)體中出現(xiàn)了明顯的局域磁矩，其大小為2 μB.

關(guān)鍵詞：稀磁半導(dǎo)體；氮化鋁(AlN)；第一性原理

稀磁半導(dǎo)體(Diluted Magnetic Semiconductors，DMS)能實(shí)現(xiàn)在同一材料中同時(shí)操控電子的電荷和自旋，故又稱稀釋磁性半導(dǎo)體，該材料由磁性過(guò)渡族余屬元素或者稀土金屬元素甚至非磁性金屬元素替代Ⅱ-Ⅳ族、Ⅳ-Ⅵ族、Ⅱ-Ⅴ族、Ⅲ-Ⅴ族等半導(dǎo)體中的非磁性元素后形成的[1-3].實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在一些半導(dǎo)體材料和氧化物，用非過(guò)渡金屬摻雜也可以獲得室溫下的鐵磁性，這預(yù)示著新的一類(lèi)稀磁半導(dǎo)體和新的磁相互作用機(jī)理.氮化鋁(AlN)是一種Ⅲ-Ⅴ族直接帶隙寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，在常溫常壓下的穩(wěn)定相是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有許多優(yōu)異的物理性能(高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電阻率、高化學(xué)穩(wěn)定性和高熱穩(wěn)定性)，是研究稀磁半導(dǎo)體磁性來(lái)源和機(jī)理的理想體系.筆者利用基于密度泛函理論和局域密度近似的第一性原理，分析了摻雜B后的AlN中局域磁矩的變化規(guī)律.

1第一性原理計(jì)算方法

圖1　摻雜B后AlN的結(jié)構(gòu)

采用基于密度泛函程序和廣義梯度近似的第一性原理分析方法[4-6]，其波函數(shù)用平面波展開(kāi)，截?cái)嗄茉O(shè)為330 eV，電子和離子間的相互作用采用綴加投影波勢(shì)描述，氮化鋁(AIN)晶格常數(shù)a=b=0.311 nm，c=0.498 nm，c/a=1.601，每個(gè)鋁或氮原子都與相鄰原子組成以其為中心的正四面體結(jié)構(gòu).AIN的摻雜是由原子硼(B)替換原子N實(shí)現(xiàn)的，選用的超胞中有16個(gè)Al原子和16個(gè)N原子，16個(gè)N原子中有1個(gè)被B原子替換，如圖1所示，這相當(dāng)于摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.25%.在布里淵區(qū)，以Г點(diǎn)為中心對(duì)7×7×5網(wǎng)格進(jìn)行采樣.在結(jié)構(gòu)弛豫中，對(duì)每個(gè)原子位置進(jìn)行優(yōu)化，使其受力小于0.1 GeV/m.

2計(jì)算結(jié)果

AlN摻雜B后的總態(tài)密度如圖2所示(實(shí)線代表自旋向上，虛線代表自旋向下，費(fèi)米能級(jí)在能量為0 eV的地方，下同).由圖2可知，摻雜B后的AlN的態(tài)密度自旋向上和向下的態(tài)是不對(duì)稱的，尤其在費(fèi)米能級(jí)附近特別明顯.在原來(lái)的AlN的帶隙中出現(xiàn)了雜質(zhì)態(tài)，這說(shuō)明體系是自旋極化的.摻雜B原子的分態(tài)密度見(jiàn)圖3.從圖3不難發(fā)現(xiàn)，自旋極化集中在B原子的p態(tài)上，且B原子的電子態(tài)與體系的價(jià)帶重疊很少，其在帶隙中的p態(tài)非常窄，說(shuō)明B原子的價(jià)電子是很局域的，同時(shí)也說(shuō)明B原子與體系的相互作用有限.

圖2　摻雜B后AlN的總態(tài)密度

圖3　B原子的分態(tài)密度

圖4　體系的自旋電荷密度分布

體系的自旋電荷密度(自旋向上的電荷密度與自旋向下的電荷密度之差)分布如圖4所示.從圖4中不難發(fā)現(xiàn)，自旋電荷密度大部分都集中在B原子上，并且只在其近鄰的Al原子和N原子上略有分布，在更遠(yuǎn)的Al和N原子上幾乎沒(méi)有分布.這說(shuō)明在摻B后的AlN體系中，自旋幾乎局限于B原子上，而在Al和N原子上自旋極化很小，從圖3中B原子鄰近Al和N的分態(tài)密度上也可以看出.由于N原子的電負(fù)性比Al的要大很多，每個(gè)N原子從Al原子獲得1個(gè)電子，形成離子鍵.同樣，B原子的電負(fù)性比Al大很多，每個(gè)B原子從Al獲得1個(gè)電子.B原子有6個(gè)p軌道(3個(gè)自旋向上3個(gè)自旋向下)，2個(gè)2p電子占據(jù)自旋向上的3個(gè)軌道中的1個(gè).摻雜原子B獲得2個(gè)電子后，3個(gè)自旋向上的態(tài)完全被占據(jù)，1個(gè)自旋向下的態(tài)也被占據(jù)，其凈自旋為2 μB，與計(jì)算得出的總磁矩2 μB相符.

摻雜質(zhì)原子的電子態(tài)主要由2p態(tài)和AlN的電子態(tài)共同相互作用而成.B的電負(fù)性介于Al和N之間，假設(shè)摻雜原子是N本身，那么它與宿主能帶相互作用形成鍵態(tài)，進(jìn)入宿主的價(jià)帶和導(dǎo)帶.當(dāng)摻雜原子是B時(shí)，B原子的電負(fù)性比N原子的小，與宿主的相互作用比N原子與宿主的相互作用弱，B原子與宿主價(jià)帶(導(dǎo)帶)相互作用形成的反鍵態(tài)不足以被推入宿主的導(dǎo)帶(價(jià)帶)中，于是B原子的2p態(tài)就留在宿主帶隙中.為了減少電子庫(kù)侖力相互作用的能量，其2p態(tài)通過(guò)自旋極化來(lái)避免電子的接近，所以摻雜B原子是自旋極化的.

3結(jié)語(yǔ)

采用基于密度泛函理論和局域密度近似的第一性原理分析了摻雜B后的AlN中局域磁矩的變化規(guī)律，分析了摻雜體系的總態(tài)密度和摻雜原子的分態(tài)密度.計(jì)算結(jié)果表明，B原子電子態(tài)位于宿主的帶隙中，非常局域且具有自旋極化.

參考文獻(xiàn)：

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[3] 王穎，湛永鐘，許艷飛，等.稀磁半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(7)：20-23.

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[6] BL?CHL P E.Projector Augmented Wave Method[J].Physical Review B，1994，50(24)：17 953-17 979.

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))

A First Principle Study of Local Magnetic Moment on

Non￣Magnetic Elements Doped AlN

YANG Hong,QUAN Xiu’e

(College of Physics and Mechanical & Electrical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

Abstract：The ideal diluted magnetic semiconductors has favorable room￣temperature ferromagnetism.Although AlN diluted magnetic semiconductor has wide band gap and good light￣admitting quality,it has not been widely applied due to the unsatisfactory replicability of the experiment.Based on first principle of the density functional theory,we calculate the electric structure of AlN semiconductors doped by B element.The analysis of the calculated electric structure displays that an evident local magnetic moment change arises on doped AlN semiconductors.The magnitude of the local magnetic moment is 2 μB.

Key words：diluted magnetic semiconductors；AlN；first principle

作者簡(jiǎn)介：楊紅(1980—)，男，湖南瀏陽(yáng)人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院講師，博士，主要從事計(jì)算物理研究.

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(14C0939)；吉首大學(xué)引進(jìn)博士人才資助項(xiàng)目(jsdxrcyjkyxm201309)；吉首大學(xué)教改課題資助項(xiàng)目(2014SYJG015)

收稿日期：2015-02-16

中圖分類(lèi)號(hào)：O162

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.008

文章編號(hào)：1007-2985(2015)03-0032-03