N空位、Ga空位對GaN∶Mn體系電磁性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)影響的第一性原理研究＊

蔣聯(lián)嬌，符斯列，秦盈星，李健翔

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006)

N空位、Ga空位對GaN∶Mn體系電磁性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)影響的第一性原理研究＊

蔣聯(lián)嬌，符斯列，秦盈星，李健翔

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006)

基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢法分別計算了VGa和VN距摻入Mn原子為近鄰、次近鄰、遠近鄰各3種情況下GaN體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，分析比較了空位的不同位置對Mn摻雜GaN體系磁性的影響。計算結(jié)果表明，Mn摻雜會導(dǎo)致GaN體系帶隙增大且體系表現(xiàn)為半金屬鐵磁性；VN的存在會增強缺陷復(fù)合物體系的鐵磁性，且隨著VN相對雜質(zhì)Mn距離越近，體系總磁矩增加；而VGa的存在會降低缺陷復(fù)合物體系的鐵磁性，且隨Ga空位相對雜質(zhì)Mn距離越近，體系總磁矩減少。不同位置的VGa和VN均會導(dǎo)致缺陷復(fù)合物體系主吸收峰和光吸收邊相對于單Mn摻雜而言向低能方向移動，出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。

GaN晶體；Mn摻雜；空位；電子結(jié)構(gòu)；光學(xué)性質(zhì)

0 引 言

稀磁半導(dǎo)體(diluted magnetic semiconductor, DMS)是指由磁性過渡族金屬元素或稀土金屬元素部分取代Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化半導(dǎo)體中非磁性陽離子后所形成的一類新型半導(dǎo)體合金材料。這種材料可以同時實現(xiàn)對電子電荷和自旋兩種自由度的應(yīng)用，是一種優(yōu)質(zhì)的自旋極化載流子源，如自旋注入或者自旋極化輸運等[1]，已成為當(dāng)前國際上磁電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，具有優(yōu)良的光電特性、寬的直接帶隙(Eg=3.39 eV)和穩(wěn)定的物理特性，廣泛的應(yīng)用于藍、綠發(fā)光二極管、藍光激光器、紫外波段的探測器以及高溫、大功率集成電路，是當(dāng)今世界上最為先進的半導(dǎo)體材料之一。目前大量研究表明在過渡族元素中，Mn摻雜GaN的效應(yīng)最為明顯，可實現(xiàn)高于室溫的居里溫度(TC)[2-5]，而高的TC以充分保證相關(guān)器件的熱穩(wěn)定性和廣泛的應(yīng)用范圍。邢海英等[6-8]采用第一性原理計算不同Mn濃度摻雜GaN證實了材料表現(xiàn)為半金屬特性，是實現(xiàn)自旋注入的理想材料。Katayama-Yoshidia等[9]采用密度泛函理論研究了Mn摻雜GaN，發(fā)現(xiàn)Ga1-xMnxN(x=0.25)具有穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)。毋志民等[10]研究了不同濃度下Mn摻雜GaN稀磁半導(dǎo)體的電磁特性，表明隨著Mn摻雜濃度的增加，體系的半金屬性有所增強。介偉偉、楊春等[11]基于密度泛函理論(DFT)討論了Ga和N不同比例下各種空位缺陷對GaN性能的影響，發(fā)現(xiàn)N空位的增加會導(dǎo)致GaN電導(dǎo)率下降；在實驗方面，目前已采用化學(xué)氣相沉積(CVD)[12]、金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)[13]、氫化物氣相外延(HVPE)[14]等方法制備各種GaN材料，但由于生長工藝條件的限制，難以制備出完美的GaN單晶和薄膜，本征缺陷(如Ga空位、N空位等)和非故意摻雜會不可避免的產(chǎn)生，使生長出的GaN除了帶間躍遷外，還存在黃色發(fā)光帶。Sedhain等[15]通過觀察GaN在紅外區(qū)域的發(fā)射光譜確定Ga空位(VGa)和最近鄰的氮位的氧(ON)形成的復(fù)合體是黃光的來源。徐大慶等[16]利用拉曼散射和光致發(fā)光譜研究了Mn離子注入Mg摻雜GaN的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在低能區(qū)出現(xiàn)新的發(fā)光峰來源于MgGa-VN復(fù)合體深施主能級及Mg、Mn相關(guān)的受主能級之間的輻射復(fù)合躍遷。雖然目前的研究結(jié)果大大促進了Mn摻雜GaN的發(fā)展，但是關(guān)于本征點缺陷對摻雜體系影響的研究尚顯不足。

為詳細了解不同的空位缺陷的出現(xiàn)對Mn摻雜GaN體系的影響，本文基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢法，分析討論了含VN和VGa的缺陷復(fù)合物體系中缺陷存在的位置相對Mn雜質(zhì)的不同而引起相應(yīng)的體系的電磁性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的變化，以期為實驗研究提供有意義的理論參考。

1 模型構(gòu)建和計算方法

1.1 模型構(gòu)建

理想的GaN多為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)[17]，屬于P63mc空間群，對稱性為C6v-4，晶格參數(shù)為a=b=0.3189 nm，c=0.5185 nm，其中c/a為1.626，比理想的六角密堆積結(jié)構(gòu)的1.633小，c方向的鍵長為0.1969 nm，其它方向的鍵長為0.1965 nm，其晶胞由Ga的六角密堆積和N的六角密堆反向套構(gòu)而成。文中計算結(jié)構(gòu)均基于超晶胞模型，取2×2×2(32個原子)超晶胞體系，每個超晶胞包含16個Ga原子和16個N原子。摻雜時每個超胞由一個Mn原子替代一個Ga原子實現(xiàn)摻雜，因為理論計算和實驗表明Mn替代Ga的晶格位置最為穩(wěn)定的[18-19]，摻雜濃度為6.25%(如圖1(a))。計算空位時去除超晶胞內(nèi)部的一個Ga原子形成VGa，或者去除一個N原子形成VN。在分析Ga空位和N空位對Mn摻雜GaN體系的影響時以相對于該摻雜Mn原子的距離遠近分別對比了近鄰、次近鄰和遠近鄰空位各3種情況，即GaN∶Mn-VGa1(近鄰Ga空位)、GaN∶Mn-VGa2(次近鄰Ga空位)、GaN∶Mn-VGa3(遠近鄰Ga空位)、GaN∶Mn-VN1(近鄰N空位)、GaN∶Mn-VN2(次近鄰N空位)、GaN∶Mn-VN3(遠近鄰N空位)6種類型。其超胞模型分別如圖1所示。

圖1 32個原子體系超晶胞結(jié)構(gòu)圖

1.2 計算方法

本文利用Accelrys公司的Materials Studio軟件建立模型，并采用軟件中的Castep(cambridge serial total energy package)程序[20]計算。Castep是一個基于密度泛函理論(DFT)結(jié)合平面波贗勢方法的從頭算量子力學(xué)計算程序。計算中采用周期性邊界條件，利用廣義梯度近似(generalized gradient approximation, GGA)的PBE處理電子間的交換關(guān)聯(lián)能，電子波函數(shù)通過平面波基矢組擴展，并采用超軟贗勢[21]描述離子實與價電子間的相互作用，以盡量減少平面波基矢的個數(shù)。選取的Ga、N、Mn各原子的價電子組態(tài)分別為Ga：3d104s24p1、N：2s22p3，Mn：3d54s2(Mn自旋態(tài)設(shè)為up)，其它軌道電子視為芯電子。不對稱布里淵區(qū)取樣采用4×4×2的Monkhorst-Pack格子[12]；在自洽場運算中，采用Pulay密度混合法。晶格結(jié)構(gòu)和原子坐標(biāo)采用BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)方法[23]進行毫無約束的完全弛豫。在幾何優(yōu)化的過程中，優(yōu)化參數(shù)有4個，即單原子能量、原子間相互作用力，晶體內(nèi)應(yīng)力和原子最大位移。它們的收斂標(biāo)準分別被設(shè)置為5×10-6eV/atom，0.1 eV/nm，0.02 GPa和0.00005 nm。計算程序?qū)?個參數(shù)同時進行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成的標(biāo)志是4個參數(shù)均達到或者優(yōu)于收斂標(biāo)準，然后采用優(yōu)化好的超胞進行能量計算。

2 計算結(jié)果與討論

2.1 純GaN及含點缺陷GaN體系的能帶結(jié)構(gòu)

本文首先對純GaN超胞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所得晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)與實驗值的比較如表1所示。

表1 優(yōu)化后GaN晶格參數(shù)與實驗值[24]比較

Table 1 The comparision between the optimized GaN lattice parameters and the experimental value[24]

晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗值/nm計算值/nma0.31890.3223c0.51850.5249c/a1.6261.629

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后c/a=1.629與實驗值1.626符合的很好，偏差僅為0.18%，與文獻[6-7]計算的結(jié)果相近，說明本文計算方法的可靠性。

理想的纖鋅礦GaN的能帶結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，可以看出價帶頂和導(dǎo)帶底均位于Brillouin的G點處，是直接帶隙半導(dǎo)體，計算所得禁帶寬度為1.70 eV，略低于文獻[6]的計算結(jié)果1.98 eV，但是均小于實驗值3.39 eV。這是由于在計算中采用DFT是基態(tài)理論，而能隙屬于激發(fā)態(tài)，得到的結(jié)果偏低是采用該理論時普遍存在的現(xiàn)象[25]，但這并不影響對GaN及其相關(guān)體系的定性分析。

圖2 GaN能帶結(jié)構(gòu)、GaN-VN能帶結(jié)構(gòu)和GaN-VGa能帶結(jié)構(gòu)

由圖2(b)、(c)和(d)可以看出，VN會使GaN變?yōu)殚g接帶隙半導(dǎo)體，并且VN和VGa的存在會使得GaN的禁帶寬度分別增加至1.80和2.00 eV。此外，VN在導(dǎo)帶底位置引入了施主能級，是一種施主缺陷。VGa導(dǎo)致費米能級向低能級方向移動進入價帶，從而在價帶頂位置形成一部分占據(jù)能級，價帶內(nèi)的電子可以躍遷到此能級上而產(chǎn)生空穴，因此VGa為受主缺陷，這與文獻[11]得出的結(jié)果相符。

2.2 N空位、Ga空位對Mn摻雜GaN體系的電子結(jié)構(gòu)

對近鄰、次近鄰、遠近鄰N空位和Ga空位與Mn摻雜共存的6種類型GaN體系進行自旋極化計算與非自旋極化計算，結(jié)果顯示(見表2)自旋極化的總能比非自旋極化的總能低，說明這6種體系均傾向于自發(fā)的自旋極化。

表2 非自旋極化能量EU與自旋極化能量ES比較及其能量差ΔE(EU-ES)

Table 2 The comparision of non-spin polarization energyEUand spin polarization energyESand the energy difference ΔE(EU-ES)

SystemsEU/eVES/eVΔE/meVGaN∶Mn-VGa1-33738.6817-33735.23383447.9GaN∶Mn-VGa2-33738.0103-33734.85753152.8GaN∶Mn-VGa3-33736.9030-33734.49962407.0GaN∶Mn-VN1-35522.2926-35521.9489343.7GaN∶Mn-VN2-35521.5444-35520.13241412.0GaN∶Mn-VN3-35521.4785-35520.33521143.3

圖3為各個體系的能帶結(jié)構(gòu)圖。(a)、(b)為單Mn摻雜GaN的能帶圖，可以看出單個Mn原子摻入后的GaN體系仍為直接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底與價帶頂仍位于布里淵區(qū)的G點，帶隙值Eg=2.13 eV，較未摻雜時的1.70 eV有所增大，因加入了合金成分Mn所致。雜質(zhì)Mn的摻入最顯著的特征是能帶圖出現(xiàn)了與Mn有關(guān)的自旋極化雜質(zhì)帶，位于價帶頂上方EV+1.12 eV處，為深受主能級，該結(jié)果與理論[26-27]和實驗[28]基本相符。圖3(a)中t2d和ed分別代表Mn離子的3d能級在四面體晶體場中分裂成三度簡并的t2軌道與兩度簡并的e軌道，無摻雜時GaN體系自旋向上和自旋向下的能帶相同，未產(chǎn)生能帶自旋劈裂，故沒有磁性。摻入Mn后，體系上下自旋產(chǎn)生劈裂，自旋向上能級占據(jù)費米面，自旋向下能級未占據(jù)費米面，即在雜質(zhì)帶中產(chǎn)生100%的自旋極化輸運，且EF貫穿雜質(zhì)帶中，表明摻雜體系具有一定的半金屬鐵磁性，這與文獻[6，29]得出的結(jié)果相符。圖3(c1,2,3)、(d1,2,3)依次為含近鄰、次近鄰和遠近鄰VN的缺陷復(fù)合物體系的能帶圖，圖(e1,2,3)、(f1,2,3)依次為含近鄰、次近鄰和遠近鄰VGa的摻雜體系能帶結(jié)構(gòu)圖，可以看出VN的存在在導(dǎo)帶底附近引入了施主雜質(zhì)能級，且費米能級向高能導(dǎo)帶方向移動。VGa的存在在價帶頂引入受主能級，且費米能級向低能價帶方向移動。但是不論VN還是VGa的各個缺陷復(fù)合物體系中的自旋向上與自旋向下的能帶圖中的費米能級上方均出現(xiàn)了空的雜質(zhì)帶，故各個體系中費米能級上方空穴載流子的個數(shù)相比于單Mn摻雜而言有所增加，導(dǎo)致相應(yīng)的價帶越向高能級方向移動，從而導(dǎo)致相應(yīng)的帶隙變窄且各體系的電導(dǎo)率增加。含VN各缺陷復(fù)合物體系的帶隙由原來的2.13 eV依次減少到1.49，1.47和1.54 eV。含VGa各缺陷復(fù)合物體系的帶隙由原來的2.13 eV依次減少到2.10，1.61，1.71 eV。

圖3 GaN∶Mn、GaN∶Mn-VN1、GaN∶Mn-VN2、GaN∶Mn-VN3、GaN∶Mn-VGa1、GaN∶Mn-VGa2和GaN∶Mn-VGa3能帶結(jié)構(gòu)

Fig 3 Energy band structures of GaN∶Mn，GaN∶Mn-VN1，GaN∶Mn-VN2，GaN∶Mn-VN3，GaN∶Mn-VGa1，GaN∶Mn-VGa2and GaN∶Mn-VGa3

圖4為各體系的分波態(tài)密度圖?？梢钥闯鱿鄬τ趩蜯n摻雜而言，VN的引入均使得費米能級向高能導(dǎo)帶方向移動，帶隙變窄，這與上文所得的結(jié)果相符。在費米能級附近，含VN的缺陷復(fù)合物體系中Mn3d與N2p態(tài)各個峰態(tài)局域化明顯，且Mn3d與N2p態(tài)自旋劈裂的強度明顯增加，費米能級附近相應(yīng)的態(tài)密度峰值均比單Mn摻雜體系要大，表明VN的存在增強了Mn3d與N2p態(tài)之間的雜化，進而增強了缺陷復(fù)合物體系的半金屬鐵磁性。且隨著VN距離雜質(zhì)Mn越近，p-d之間的雜化作用越強，體系的半金屬鐵磁性越強。表3的數(shù)據(jù)進一步說明了VN的存在增強了缺陷復(fù)合物體系的鐵磁性，VN相對雜質(zhì)Mn距離越近，p-d交換相互作用越強，缺陷復(fù)合物體系的總磁矩越大。其中近鄰VN對缺陷復(fù)合物體系的總磁矩提升最為顯著，由原來的3.97 μB增加到5.0 μB。

圖5為各體系的分波態(tài)密度圖。由圖5可以看出，相對于單Mn摻雜而言，VGa的引入均使得費米能級向低能價帶方向移動，帶隙變窄，這與上文所得的結(jié)果相符。在費米能級附近N2p態(tài)發(fā)生了顯著的變化，其費米能級由原本僅通過自旋向上通道，但卻處于自旋向下的帶隙內(nèi)變?yōu)榧赐ㄟ^自旋向下通道又通過了自旋向上通道。導(dǎo)致費米能級附近上、下自旋通道的不對稱性明顯地縮小，其自旋劈裂的程度大為減弱。且在費米能級附近Mn3d態(tài)的各個峰態(tài)變得彌散化，非局域化加強，其相應(yīng)態(tài)密度峰值也有所減少，故表明VGa的存在減弱了Mn3d與N2p之間的雜化，進而減弱了缺陷復(fù)合物體系的半金屬鐵磁性，且隨著VGa距離雜質(zhì)Mn越近，p-d之間的雜化作用越弱，體系的半金屬鐵磁性越弱。表3數(shù)據(jù)進一步證實VGa的存在會基本上會降低缺陷復(fù)合物體系的鐵磁性，且隨VGa相對雜質(zhì)Mn距離越近，體系總磁矩越少。其中近鄰VGa對缺陷復(fù)合物體系的磁矩降低最為顯著，由原來的3.97 μB降低到1.63 μB。

圖4 GaN∶Mn、GaN∶Mn-VN1、GaN∶Mn-VN2和GaN∶Mn-VN3的態(tài)密度圖

圖5 GaN∶Mn、GaN∶Mn-VGa1、GaN∶Mn-VGa2和GaN∶Mn-VGa3的態(tài)密度圖

2.3 光學(xué)性質(zhì)

光學(xué)性質(zhì)是溝通帶間躍遷微觀物理過程與固體電子結(jié)構(gòu)的橋梁，反映了固體能帶結(jié)構(gòu)及其各種光譜信息。本文計算了摻雜體系的介電函數(shù)和吸收光譜，并予以分析。在線性響度的范圍內(nèi)半導(dǎo)體的宏觀光學(xué)性質(zhì)能夠用復(fù)介電函數(shù)來描述

ε(ω)= ε1(ω)+ iε2(ω)

其中

ε1=n2- k2，ε2=2nk

根據(jù)直接躍遷概率定義和Kramers-Kronig色散關(guān)系可以推出晶體介電函數(shù)的實部ε1(ω)、虛部ε2(ω)和晶體的光吸收系數(shù)α(ω)[30-31]分別為

(1)

(2)

(3)

表3 GaN∶Mn及6種缺陷GaN體系的各原子磁矩大小及總磁矩大小比較

Table 3 The comparison between Mn doping GaN and six kinds of defects in Mn doping GaN systems of atomic magnetic moment and total magnetic moment

SystemsMn原子磁矩/μBN原子磁矩/μBGa原子磁矩/μB體系總磁矩/μBGaN∶Mn3.80-0.080.253.97GaN∶Mn-VN14.210.360.435.00GaN∶Mn-VN23.950.240.304.49GaN∶Mn-VN34.050.380.454.88GaN∶Mn-VGa12.47-0.920.081.63GaN∶Mn-VGa22.740.310.203.25GaN∶Mn-VGa33.131.230.334.69

圖6為各個體系光吸收譜圖和光吸收譜圖，分析時采用的極化方向為(100)。由吸收譜圖可觀察到GaN∶Mn在1.04 eV左右出現(xiàn)小的吸收峰，主要是源于Mn離子雜質(zhì)子帶的帶內(nèi)躍遷，有關(guān)理論計算[32]證明Mn4+離子4T1(F)態(tài)與4T2(F)態(tài)間的躍遷能為1.0 eV，故該吸收峰是源于Mn4+離子基態(tài)4T1(F)態(tài)與4T2(F)態(tài)間的躍遷，這與文獻[7]觀察到的結(jié)果相近。而近鄰VN會導(dǎo)致該吸收峰消失，這是因為近鄰VN的存在會產(chǎn)生施主補償效應(yīng)，使得價帶中的電子濃度增加，引起EF向?qū)б苿訌亩鴮?dǎo)致該吸收峰消失。

圖6 GaN摻雜體系的吸收光譜和GaN摻雜體系的介電函數(shù)虛部

此外，含VN的缺陷復(fù)合物體系的主吸收峰和光吸收邊相對于單Mn摻雜而言向低能方向移動，出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，其原因在于VN的存在造成該體系的帶隙變窄；且其主峰峰值強度隨N空位距離Mn的位置越近，下降越明顯，這是由于VN距離雜質(zhì)Mn愈近引起缺陷復(fù)合物體系晶格弛豫的時間愈長[33]。而含VGa的缺陷復(fù)合物體系的主吸收峰和光吸收邊的變化與含N空位的情況相似，但主峰峰值強度隨VGa距離Mn的位置越近，下降的越少，與含VN的情況不同的是VGa距離雜質(zhì)Mn愈近反而造成該體系的晶格弛豫的時間愈少[33]。

由介電函數(shù)的虛部圖可觀察到GaN∶Mn在低能區(qū)出現(xiàn)介電峰，對含VN的缺陷復(fù)合物體系而言，近鄰VN的存在會導(dǎo)致該體系在低能區(qū)的介電峰消失，這點與吸收光譜的情況相符。而次近鄰VN的存在引起該體系在低能區(qū)的介電峰的峰值強度大增，這是由于次近鄰的VN使得該體系的費米能級移向?qū)У滓鸾麕е蠱n的3d軌道電子到導(dǎo)帶底的躍遷幾率大增；相對于含VGa的缺陷復(fù)合物體系而言，含近鄰和次近鄰VGa的缺陷復(fù)合物體系的在低能區(qū)介電峰峰值相對于單Mn摻雜而言有所降低，而含遠近鄰的VGa的缺陷復(fù)合物體系的介電峰峰值強度卻大增，這是在于遠近鄰VGa使得該體系的費米能級移向價帶頂，大大促使了該體系中Mn的3d軌道電子和N的2p軌道電子向?qū)У椎能S遷。

3 結(jié) 論

采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢法計算了VN和VGa對Mn摻雜GaN體系的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響。計算結(jié)果表明，VN空位和VGa的存在均使GaN體系的帶隙增大，其中VN是一種施主缺陷，而VGa是一種受主缺陷。單Mn摻雜會使得GaN體系的帶隙增加，且體系表現(xiàn)出半金屬鐵磁性，該結(jié)果與現(xiàn)有的理論和實驗相符。VN的存在會增強Mn摻雜GaN體系的鐵磁性，近鄰VN對缺陷復(fù)合物體系的鐵磁性增強作用最為明顯，該體系磁矩最大；而VGa的存在會降低Mn摻雜GaN體系的鐵磁性，近鄰VGa空的存在使得缺陷復(fù)合物體系的總磁矩大為減少。此外，VGa和VN的存在均會導(dǎo)致缺陷復(fù)合物體系的主吸收峰和光吸收邊相對于單Mn摻雜而言向低能方向移動，出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。而在介電函數(shù)圖中只有近鄰N空位導(dǎo)致?lián)诫s體系的在低能區(qū)的介電峰消失。

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First-principles study of the effects of GaN∶Mn with N vacancy and Ga vacancy on electronic structures,ferromagnetism and optical properties

JIANG Lianjiao，F(xiàn)U Silie，QIN Yingxing，LI Jianxiang

(Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University,Guangzhou 510006, China)

The electronic structures and optical properties of Ga vacancy and N vacancy from the incorporation of Mn atoms doping as nearest neighbor,next nearest neighbor and far neighbor each of the three cases GaN systems were calculated by using plane wave ultra-soft pseudo-potential method based on density functional theory.This article analyzed and compared the effects of different positions of vacancies on the performance of magnetic properties of Mn doped GaN.The results indicate that the band gap becomes wider after Mn doped GaN,and it shows half metallic ferromagnetism.N vacancies enhance the ferromagnetism of Mn doped GaN systems and the total magnetic moment of the doped systems increases with the decrease of the N vacancy away from Mn impurity.However,Ga vacancies reduce the ferromagnetism of Mn doped GaN systems and the total magnetic moment of the doped systems decreases with the reduction of the Ga vacancy away from Mn impurity. Furthermore,the main absorption peaks and absorption edge move towards a lower energy region in all cases of vacancies of Mn doped systems,which shows a red shift phenomenon.

GaN crystal;Mn doping; vacancy; electronic strutures; optical properties

1001-9731(2016)12-12139-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(10575039)；廣東省自然科學(xué)基金資助項目(S2013010012548)

2016-03-29

2016-07-20 通訊作者：符斯列，E-mail: fusl@scnu.edu.cn

蔣聯(lián)嬌 (1989-)，女，湖南衡陽人，在讀碩士，師承符斯列教授，從事GaN基稀磁半導(dǎo)體研究。

O472；O482.54

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.023