Ga1-xCrxSb(x=0.25,0.50,0.75)磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究*

王闖 趙永紅 劉永?

1) (燕山大學(xué)理學(xué)院,亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,微結(jié)構(gòu)材料物理河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島 066004)

2) (四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,計(jì)算科學(xué)中心,成都 610068)

1 引 言

在過去幾十年里,自旋電子學(xué)發(fā)展迅速.與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件相比,自旋電子學(xué)器件具有存儲(chǔ)非易失性、功耗低和集成度高等優(yōu)勢[1,2].1983年,Groot等[3]通過對三元赫斯勒(Heusler)合金NiMnSb和PtMnSb等合金的研究,首次發(fā)現(xiàn)了一種新型的能帶結(jié)構(gòu),其中一個(gè)方向電子自旋能帶呈現(xiàn)金屬性,而另一個(gè)方向的電子自旋能帶呈現(xiàn)半導(dǎo)體性,并把這種有著特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料命名為“半金屬鐵磁體(half-metal ferromagnet HMF)”[4].這類鐵磁半金屬材料可以產(chǎn)生完全自旋極化的傳導(dǎo)電子,成為很好的自旋流注入源[5-7],加上具有較高的居里溫度、磁矩量子化和零磁化率等特殊的物理性質(zhì)[8,9],在制作自旋電子學(xué)器件如自旋二極管、自旋場效應(yīng)管、自旋節(jié)流閥、自旋過濾器等方面具有重要應(yīng)用前景.它將不僅在新一代高性能微電子設(shè)備中發(fā)揮重要作用,并且為極化輸運(yùn)理論以及自旋電子學(xué)的研究開辟嶄新的領(lǐng)域[10-13].

自旋電子學(xué)利用了電子的電荷與自旋作為信息的載體,與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比,具有更優(yōu)越的性能.當(dāng)前電子材料兼容的途徑就是通過引入高濃度的磁性離子使非磁性半導(dǎo)體出現(xiàn)磁性,甚至鐵磁化.隨著自旋電子學(xué)材料的發(fā)展,用磁性過渡金屬元素離子注入二元半導(dǎo)體,發(fā)現(xiàn)了同時(shí)具有磁性和半導(dǎo)體特性的新型磁性材料,這在自旋電子學(xué)的研究中引起了人們極大的興趣,也為自旋電子學(xué)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用.已有相關(guān)的研究工作發(fā)現(xiàn),將少量的磁性元素?fù)饺隝I-VI族[14,15],IV族或III-V族等半導(dǎo)體中[16-18],摻入的磁性原子替代半導(dǎo)體晶胞中的陽離子或陰離子,或者通過缺陷技術(shù)在所研究的體系中形成缺陷,研究發(fā)現(xiàn)了許多新型自旋電子學(xué)材料[19,20],Ahmad和Amin[21]發(fā)現(xiàn)Mn摻雜下Ga1-xMnxP和Ga1-xMnxAs是磁性半金屬材料.黃保瑞等[22]研究 了Cr摻雜纖鋅礦GaN的磁性和光學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)Cr摻雜后材料在紅外光區(qū)吸收增強(qiáng),具有優(yōu)異的磁光性能.Shirai[23]采用3d過渡金屬元素?fù)诫sIII-V族半導(dǎo)體GaAs,研究發(fā)現(xiàn)多種半金屬材料.經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),III-V族化合物半導(dǎo)體材料在光電子器件、光電集成、超高速微電子器件和超高頻微波器件及電路上等方面有著廣闊應(yīng)用[24,25].近年來通過利用過渡金屬元素?fù)诫sIII-V族二元半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)了很多新型半金屬材料[26-30].而近來研究人員對于III-V族半導(dǎo)體材料GaSb的關(guān)注逐漸提高,Abe等[31]利用分子束外延的實(shí)驗(yàn)方法研究了Cr摻雜GaSb的材料性質(zhì),發(fā)現(xiàn)它們具有室溫以上的鐵磁性質(zhì).Se?a等[32]利用密度泛函方法研究了Mn摻雜GaSb,發(fā)現(xiàn)摻雜后的材料具有鐵磁半金屬性質(zhì).所以我們選取過渡金屬Cr替換半導(dǎo)體材料GaSb中的陽離子Ga,利用第一性原理展開研究.GaSb是具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的直接帶隙半導(dǎo)體,禁帶寬度約為0.72 eV,晶格常數(shù)為0.61 nm[33].GaSb具有電子遷移率高、高頻低閾值、光電轉(zhuǎn)化率高等特點(diǎn)[34-36].同時(shí)這種材料的晶格常數(shù)與其他各種三元、四元的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)近似匹配,可以大大減少由晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力、缺陷等問題,因此成為制備長波LED及光電探測器、光纖通信器件的重要襯底材料[37-40].對相關(guān)文獻(xiàn)和已有同類型研究工作進(jìn)展[41-44]進(jìn)行了解后,我們選用過渡金屬Cr離子注入GaSb來嘗試研究,希望發(fā)現(xiàn)新的自旋電子學(xué)材料.

2 模型構(gòu)建和計(jì)算方法

GaSb晶體具有閃鋅礦結(jié)構(gòu) (Zinc-blende structure,ZB),空間群是F-43m(空間群編號216)[45,46].在GaSb 2×2×2的超胞中,每個(gè)Ga(Sb)原子處于四個(gè)最近鄰Sb(Ga)原子的四面體中心,其晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示.我們考慮在一個(gè)GaSb晶胞中由Cr替換Ga原子,分別替換一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)Ga原子,即離子注入Cr比例分別為25%,50%,75%,得到過渡金屬元素Cr離子注入后的ZB Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)[47,48].

本文主要利用第一性原理計(jì)算的方法[49]研究過渡金屬Cr離子注入GaSb的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì).所有計(jì)算采用密度泛函理論的第一性原理計(jì)算軟件包VASP(viennaab initiosimulation package)[50,51].在模擬計(jì)算中,選擇綴加投影平面波方法(projected augmented wave,PAW)[52]來描述電子與原子核之間的相互作用,電子與電子之間的關(guān)聯(lián)相互作用采用廣義梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)[53]中的PBE(Perdew Bueke Ernzerhof)[54]形式.首先對各結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行平面波截?cái)嗄芎筒祭餃Y區(qū)積分的Monkhorstpack特殊K點(diǎn)選取進(jìn)行優(yōu)化.經(jīng)過測試,平面波截?cái)嗄苋?00 eV,K點(diǎn)網(wǎng)格大小選取7×7×7.在晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和原子弛豫過程中,體系總能量收斂精度和單個(gè)原子上的力收斂精度分別為10-5eV和10-4eV/atom.分別計(jì)算Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75) 的無磁性、鐵磁性和反鐵磁性的總能量隨晶格常數(shù)變化的關(guān)系.因?yàn)镻BE泛函計(jì)算會(huì)低估晶體帶隙,所以我們在計(jì)算電子能帶時(shí)加入了雜化密度泛函Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06)[55,56]對電子能帶計(jì)算進(jìn)行修正,使能帶計(jì)算結(jié)果更加合理.

圖1 閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaSb (a)結(jié)構(gòu)圖; (b)能帶圖Fig.1.(a) Zinc-blende structure and (b) band structure of GaSb.

3 結(jié)果與分析

3.1 磁性質(zhì)

計(jì)算了在不同濃度Cr離子注入下ZB Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)材料的電子基態(tài)性質(zhì)[57].對于離子注入體系的鐵磁態(tài)(ferromagnetic,FM)、反鐵磁態(tài) (antiferromagnetic,AFM)的計(jì)算,主要是通過使偶數(shù)的Cr原子自旋呈現(xiàn)平行、反平行、交叉反平行來實(shí)現(xiàn)的,我們在替換原子后的閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶胞基礎(chǔ)上擴(kuò)為的超胞,并考慮結(jié)構(gòu)對稱性后分析磁序排列,圖2(d)為替換了75%的Ga后的鐵磁態(tài)及兩種反鐵磁態(tài).藍(lán)色和紅色箭頭分別表示Cr原子的上、下自旋方向.圖2(a)-圖2(c)展示了不同濃度Cr離子注入下的Ga1-xCrxSb三種磁性態(tài)對應(yīng)的能量體積曲線 (E-V)圖.從圖中可以看出,鐵磁態(tài)的能量隨體積變化的曲線都低于反鐵磁和非磁的曲線[58,59].因而,Ga1-xCrxSb處于平衡晶格常數(shù)時(shí),體系在鐵磁態(tài)的總能量最低,結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定.

在Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)計(jì)算中發(fā)現(xiàn),當(dāng)處于平衡晶格常數(shù)時(shí),它們的總磁矩為玻爾磁子μB的整數(shù)倍,Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)的整數(shù)總磁矩分別為3.0μB,6.0μB,9.0μB,這一特性符合鐵磁半金屬的性質(zhì).如圖3所示為這三種鐵磁半金屬材料的磁矩隨晶格常數(shù)變化在±20%的關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn)總磁矩主要由Cr原子上d軌道貢獻(xiàn),額外的貢獻(xiàn)來自于位于Cr其他軌道和鄰近的Sb原子的p軌道,且Cr和Sb貢獻(xiàn)的磁矩方向相反.在-5%-20%的晶格變化范圍內(nèi),Ga1-xCrxSb總磁矩仍然保持μB整數(shù)倍不變,而Cr-d軌道的貢獻(xiàn)磁矩隨著晶格常數(shù)的增加而增大,并在達(dá)到平衡晶格常數(shù)后,增大趨勢減緩[60].

GaSb中的Ga被Cr取代時(shí),首先Ga空位在價(jià)帶中產(chǎn)生三個(gè)空穴,留下Sb懸掛鍵.當(dāng)Cr占據(jù)Ga位點(diǎn)時(shí),它會(huì)提供三個(gè)電子以實(shí)現(xiàn)Cr-Sb鍵合.然后Cr留下3個(gè)未配對的d電子,產(chǎn)生3μB的磁矩.Cr和近鄰的Sb之間的磁耦合總是反鐵磁性的,如表1所示.可能是由于局部Cr-d軌道與Sb-p軌道之間的p-d交換相互作用,從而實(shí)現(xiàn)了Cr離子注入后GaSb由無磁材料到磁性材料的轉(zhuǎn)變.這些結(jié)果表明,GaSb半導(dǎo)體可以作為實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的母體材料.

圖2 晶體Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的能量-體積關(guān)系圖 (a) Ga0.75Cr0.25Sb; (b) Ga0.5Cr0.5Sb; (c) Ga0.25Cr0.75Sb;(d) Ga0.25Cr0.75Sb的鐵磁態(tài)及兩種反鐵磁性磁序分布Fig.2.The energy-volume curve of Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75): (a) Ga0.75Cr0.25Sb; (b) Ga0.5Cr0.5Sb; (c) Ga0.25Cr0.75Sb; (d) the FM is ferromagnetic state and AFM stands for two types of antiferromagnetic state for Ga0.25Cr0.75Sb.

磁性材料的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度一直是關(guān)乎材料實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要問題,而CrSb是已被研究證明的鐵磁半金屬材料,我們采用與文獻(xiàn)一致的平均場方法估算了三種鐵磁半金屬的居里溫度[62-64],

式中C表示在晶胞中的Cr離子注入濃度,kB表示玻爾茲曼常數(shù),ΔEFM-AFM表示體系鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的能量差.計(jì)算發(fā)現(xiàn)它們都具有超過室溫的居里溫度,對比文獻(xiàn)中CrSb具有約1600 K的居里溫度,這一特性符合半金屬鐵磁體材料的特點(diǎn).Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.5,0.75,1)的磁學(xué)性質(zhì)及居里溫度見表1.

3.2 電子性質(zhì)

然后計(jì)算了平衡結(jié)構(gòu)下Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75,1.00)的電子結(jié)構(gòu).如圖4所示,Ga1-xCrxSb具有相似的能帶結(jié)構(gòu),我們發(fā)現(xiàn)它們自旋向上的能帶穿過費(fèi)米能級EF,呈金屬性; 而自旋向下的能帶在費(fèi)米能級處都有一個(gè)帶隙,呈現(xiàn)半導(dǎo)體性,符合半金屬能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).由圖4可以看出,離子注入后的Ga1-xCrxSb的半導(dǎo)體性質(zhì)能帶導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于布里淵區(qū)G對稱點(diǎn),屬于直接帶隙.因?yàn)閆B結(jié)構(gòu)的GaSb和CrSb晶體材料早已被研究,我們還是采用本研究的方法計(jì)算了未離子注入的ZB GaSb,得出GaSb具有直接帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)[46],及完全將Ga原子替換為Cr的ZB CrSb的電子結(jié)構(gòu),和CrSb呈鐵磁半金屬性[65],CrSb能帶圖如圖4(d)所示,我們的結(jié)果與文獻(xiàn)中的材料電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)一致(Ga1-xCrxSb(x=0,0.25,0.50,0.75,1.00) 計(jì)算的平衡晶格常數(shù)和基態(tài)性質(zhì)及相關(guān)文獻(xiàn)值見表2).通過對比發(fā)現(xiàn),離子注入Cr后GaSb出現(xiàn)鐵磁半金屬性質(zhì),由此推測該系列半金屬性是由離子注入的Cr原子所引起的.

計(jì)算得出半導(dǎo)體GaSb處于平衡晶格常數(shù)時(shí)Ga-Sb的鍵長為2.638 ?,對比該系列鐵磁半導(dǎo)體材料中各原子之間的鍵長,如表2中所列,可以看出,離子注入過渡金屬Cr后,由于電負(fù)性差異和各原子間電子軌道雜化,Ga1-xCrxSb中Cr的最外層軌道電子在鍵合中被消耗.因?yàn)樵谠刂芷诒碇蠧r的離子半徑(0.615 ?)和電負(fù)性(1.66)小于Ga的離子半徑(0.620 ?)和電負(fù)性(1.88).所以Cr-Sb的離子鍵鍵強(qiáng)大于Ga-Sb的離子鍵強(qiáng),而長度小于后者.當(dāng)GaSb中Cr的離子注入濃度增加時(shí),晶胞體積變小,同時(shí)由于Sb離子的位置更加偏向Cr離子,所以相應(yīng)的Ga-Sb鍵長變長了,而Cr-Sb鍵長隨濃度變化不大.由表2可以看出,HMF Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75,1.00)的半導(dǎo)體帶隙和半金屬能隙都隨濃度增大而增大.半金屬材料的半金屬能隙(half- metal gap HM gap)是在存在帶隙的自旋子能帶中,費(fèi)米能距離價(jià)帶頂或?qū)У走@二者中間最小值[68].

表1 Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.50,0.75,1.00)總磁矩Mtot/NCr,Cr原子d軌道磁矩MCr,Sb原子p軌道磁矩MSb,居里溫度,其中SM表示半導(dǎo)體,HMF表示半金屬鐵磁體Table 1.Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.50,0.75,1.00) magnetic moment Mtot/NCr,Cr atom d-orbit magnetic moment MCr,Sb atom p-orbit magnetic moment MSb,Curie temperature,SM and HMF represent semiconductor and half-metal ferromagnetic,respectively.

圖4 自旋能帶結(jié)構(gòu)圖 (a) Ga0.75Cr0.25Sb; (b) Ga0.5Cr0.5Sb; (c) Ga0.75Cr0.25Sb; (d) CrSbFig.4.The spin-dependent band structure: (a) Ga0.75Cr0.25Sb; (b) Ga0.5Cr0.5Sb; (c) Ga0.25Cr0.75Sb; (d) CrSb.

表2 Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.50,0.75,1.00)系列晶體各項(xiàng)性質(zhì),a0表示平衡晶格常數(shù),LCS表示Cr-Sb鍵長,LGS表示Ga-Sb鍵長,HMHSE表示用HSE方法得到的半金屬能隙(eV),HMPBE表示用PBE方法得到的半金屬能隙(eV),SMHSE表示用HSE方法得到的半導(dǎo)體能隙(eV),SMPBE表示用PBE方法得到的半導(dǎo)體能隙(eV)Table 2.Crystals Properties of Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.50,0.75,1.00),the equilibrium lattice constant a0,Cr-Sb bond length LCS,Ga-Sb bond length LGS,the half-metal gap (eV) calculated by HSE HMHSE,denotes the half-metal gap (eV) calculated by PBE HMPBE,the semiconductor gap (eV) calculated by HSE SMHSE,and the semiconductor gap (eV) calculated by PBE SMPBE.

為了進(jìn)一步研究該系列HMF材料出現(xiàn)半金屬性質(zhì)的原理,因?yàn)镚a1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)電子態(tài)密度比較相似,所以選取Ga0.75Cr0.25Sb總態(tài)密度(total density of states,TDOS)和各原子分波態(tài)密度 (partial density of states,PDOS)為例進(jìn)行分析,為了更清晰地比較分析,圖5(a)和圖5(b)分別為GaSb和Ga0.75Cr0.25Sb的電子態(tài).從圖5(a)可以看出GaSb電子態(tài)無自旋極化,所以GaSb沒有磁性.而Ga0.75Cr0.25Sb在費(fèi)米面附近上自旋的態(tài)密度呈金屬性,而下自旋態(tài)有一明顯帶隙呈現(xiàn)半導(dǎo)體性,所以Ga0.75Cr0.25Sb表現(xiàn)出磁性.由于在Ga0.75Cr0.25Sb的費(fèi)米能級處只存在一種自旋取向的電子,由自旋極化率的定義

其中N↑(E) 和N↓(E) 分別為自旋向上和自旋向下的電子的態(tài)密度.可以得出Ga0.75Cr0.25Sb傳導(dǎo)電子的自旋極化率為100%,這也是半金屬材料的一大特點(diǎn).

因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料的電磁性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等都是來自原子之間p-d,d-d和s-p-d電子軌道雜化,我們認(rèn)為這與各原子電子組態(tài)以及各原子間電子軌道雜化有關(guān)[69-72].由于Cr的價(jià)電子組態(tài)分別為3d54s1,Ga的價(jià)電子組態(tài)為4s24p1,最外層4p軌道只有1個(gè)電子,而Sb的價(jià)電子組態(tài)為5s25p3,它的5p態(tài)有3個(gè)電子,是半填滿態(tài)(p態(tài)的滿殼層為6電子).并且對比晶體中各個(gè)原子間的鍵長及態(tài)密度圖,我們認(rèn)為在費(fèi)米能級附近發(fā)生了強(qiáng)烈的雜化作用.如表2中所示,過渡金屬原子Cr-Sb原子間距要小于Cr-Ga間距離,也就表明電子雜化主要發(fā)生在過渡金屬原子Cr與Sb原子之間.

從各原子分波態(tài)密度可以看出,Ga0.75Cr0.25Sb總電子態(tài)密度主要由Cr-d軌道電子貢獻(xiàn),而Gap,Sb-p等其他電子軌道貢獻(xiàn)較少.從圖5(b)中可以看出,TDOS和Cr-d的PDOS在-3--0.5 eV的上自旋態(tài)和0.5-3 eV的下自旋態(tài)有相似的態(tài)密度分布.并且Sb-p和Cr-d對應(yīng)的PDOS在-3--0.5 eV能量區(qū)段中具有類似的DOS形狀.這一現(xiàn)象揭示了Cr原子與其4個(gè)相鄰的Sb原子之間的軌道雜化,由于Cr原子取代相同位置處的Ga原子,所以Cr將磁化轉(zhuǎn)移到相鄰的Sb原子上.所以導(dǎo)帶底部主要由Cr-d電子態(tài)占據(jù),價(jià)帶部分是由Sb-p,Ga-p,Cr-d的電子占據(jù),因?yàn)镃r-d軌道和Sb-p軌道之間有較大的電子軌道雜化,Cr-d相互雜化作用隨濃度增大也增加.下自旋態(tài)中Sb的p態(tài)被Cr的d態(tài)推向較低的能量,因此,價(jià)帶變?yōu)榕cCr磁矩反平行的自旋極化.此外,由于下自旋態(tài)的費(fèi)米能級沒有電子態(tài),得到Ga1-xCrxSb是一個(gè)具有整數(shù)磁矩的半金屬鐵磁體.這兩種效應(yīng)都增大了Cr-d電子的躍遷,使得Cr-d帶寬變大,自旋向下帶隙隨著Cr濃度的增加呈增大趨勢.Cr的3d軌道和Sb的5p軌道發(fā)生p-d電子雜化,Cr的3d電子態(tài)密度分布發(fā)生轉(zhuǎn)移,即電子軌道雜化使得晶體材料總的電子態(tài)密度重新分布,這是Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)表現(xiàn)出鐵磁半金屬性的主要原因.

圖5 晶體電子態(tài)密度圖 (a) GaSb; (b) Ga0.75Cr0.25SbFig.5.Total electron density states of (a) GaSb; (b) Ga0.75Cr0.25Sb.

3.3 光學(xué)性質(zhì)

固體的光學(xué)性質(zhì)可以用介電函數(shù)ε(ω) 來描述[51,54],而介電函數(shù)ε(ω) 是由實(shí)部和虛部兩部分組成,定義為

由于Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)屬于立方晶系,可知其光學(xué)性質(zhì)是各向同性的.本文計(jì)算了Ga1-xCrxSb的介電常數(shù)εxx(ω) 并對光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析[73].圖6展示了各項(xiàng)光學(xué)性質(zhì)與入射光能量的關(guān)系,列出部分晶體材料的折射系數(shù)、反射率、吸收系數(shù)的對比圖.可以利用介電函數(shù)的實(shí)部ε1(ω)和虛部ε2(ω) 來得到固體的吸收系數(shù)α(ω) 、反射率R(ω) ,定義公式如下:

計(jì)算得出Ga0.75Cr0.25Sb靜態(tài)折射系數(shù)n(0)=7,比GaSb靜態(tài)折射系數(shù)n(0)=4.6高,靜態(tài)反射率分別為R(0)=0.56,同樣高于GaSb的靜態(tài)反射率R(0)=0.41.由圖6(a)和圖6(b)可看出,HMF Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)靜態(tài)反射率和靜態(tài)折射系數(shù)都要高于未離子注入GaSb的.在折射圖譜可以看出,在0-3.5 eV能量范圍內(nèi),Ga1-xCrxSb的折射率整體呈逐漸減小的趨勢,在1.3-3.5 eV可見光的能量范圍內(nèi),這些材料對光的折射系數(shù)隨著入射光能量的增加迅速減小,且材料對紅外線的折射能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對紫外線的折射,并且離子注入后的材料的靜態(tài)折射系數(shù)和靜態(tài)反射率都要高于GaSb的.從不同濃度Cr離子注入的反射、折射圖可以看出,離子注入后的折射系數(shù)和反射率變化規(guī)律大致相近,而離子注入濃度越高的反射折射性質(zhì)變化越明顯.

圖6 Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.50,0.75)的光學(xué)性質(zhì)圖譜對比 (a)折射系數(shù); (b)反射率; (c)吸收系數(shù)Fig.6.Comparison of optical properties of Ga1-xCrxSb (x=0,0.25,0.50,0.75): (a) The calculated optical refractive index; (b) the calculated optical reflectivity; (c) the calculated optical absorption coefficient.

由圖6(c)可知,在0-5 eV能量范圍內(nèi),GaSb及Ga1-xCrxSb四種物質(zhì)的吸收系數(shù)整體呈逐漸增加的趨勢.在可見光區(qū),沒有明顯吸收峰,且離子注入后材料的吸收系數(shù)與未離子注入差別不大,而在紅外光區(qū),即入射光子能量低于1.3 eV時(shí),由圖可以看出,離子注入后材料對紅外光吸收明顯優(yōu)于GaSb的.因此Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75)具有對紅外光較強(qiáng)的吸收能力這一特性,很可能應(yīng)用于相關(guān)的紅外光電器件上.

4 結(jié) 論

本文采用第一性原理計(jì)算方法研究了Cr離子注入半導(dǎo)體GaSb的電子結(jié)構(gòu)、磁性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì).計(jì)算得到Ga1-xCrxSb (x=0.25,0.50,0.75) 的電子態(tài)密度、電子能帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)它們具有半金屬鐵磁性,并且表現(xiàn)出電子完全自旋極化、整數(shù)磁矩、較寬的能隙和半金屬隙以及超過室溫的居里溫度等特點(diǎn),這些都預(yù)示著半金屬材料Ga1-xCrxSb在自旋電子學(xué)器件中將會(huì)有廣泛的應(yīng)用.同時(shí)在對該系列材料的反射、折射等光學(xué)性質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn),Ga1-xCrxSb的光學(xué)性質(zhì)很相似,具有較大的靜態(tài)反射和靜態(tài)折射系數(shù).在可見光范圍內(nèi)吸收系數(shù)都很小,對紅外光吸收能力較強(qiáng),因此Ga1-xCrxSb也許能成為應(yīng)用于紅外光電器件的潛在材料.