應(yīng)變對(Ga,Mo)Sb 磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)影響的理論研究*

潘鳳春 林雪玲 王旭明

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,銀川 750021)

近年來,作為一種自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料,具有高溫本征鐵磁性的稀磁半導(dǎo)體受到了廣泛的關(guān)注.為探索能夠提高本征鐵磁性居里溫度(Curie temperature,TC)的方法,本文運(yùn)用第一性原理LDA+U 方法研究了應(yīng)變對Mo 摻雜GaSb 的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)及光學(xué)性質(zhì)的影響.研究結(jié)果表明:–6%—2.5%應(yīng)變范圍下GaSb 半導(dǎo)體材料具有穩(wěn)定的力學(xué)性能,壓應(yīng)變下GaSb 材料的可塑性、韌性增強(qiáng),有利于GaSb 半導(dǎo)體材料力學(xué)性能的提升;應(yīng)變對Mo 替代Ga 缺陷(MoGa)的電子結(jié)構(gòu)有重要的影響,–3%至–1.2%應(yīng)變范圍下MoGa處于低自旋態(tài)(low spin state,LSS),具有1 μB 的局域磁矩,–1.1%—2%應(yīng)變范圍下MoGa 處于高自旋態(tài)(high spin state,HSS),具有3 μB 的磁矩;不管是LSS 還是HSS,MoGa 產(chǎn)生局域磁矩之間的耦合都是鐵磁耦合,但鐵磁耦合的強(qiáng)度和物理機(jī)制不同,適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)變可有效提高鐵磁耦合強(qiáng)度,這有利于實現(xiàn)高TC 的GaSb 基磁性半導(dǎo)體;Mo 可極大提高GaSb 半導(dǎo)體材料的電極化能力,這有利于光生電子-空穴對的形成和分離,提高摻雜體系對長波光子的光電轉(zhuǎn)化效率;Mo 引入的雜質(zhì)能級使電子的帶間躍遷對所需要吸收光子的能量變小,摻雜體系光學(xué)吸收譜的吸收邊發(fā)生了紅移,拉應(yīng)變可進(jìn)一步提升(Ga,Mo)Sb 體系在紅外光區(qū)的光學(xué)性能.

1 引言

作為自旋電子學(xué)器件的關(guān)鍵材料,磁性半導(dǎo)體同時利用了電子的電荷屬性和自旋屬性而具有本征的半導(dǎo)體性質(zhì)和鐵磁性,已受到了廣泛而持續(xù)的關(guān)注[1?7].其中III-V 族磁性半導(dǎo)體很容易與IIIV 族非磁性半導(dǎo)體GaAs,AlAs,GaP,InP 和InSb等結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出自旋相關(guān)的散射、層間相互耦合作用、隧穿磁阻等現(xiàn)象.有研究表明III-V 族GaSb 基磁性半導(dǎo)體具有可能高的TC、優(yōu)異的電、磁、光等物理特性,從而成為磁性半導(dǎo)體中研究的熱門材料[8?11].第一過渡族金屬(V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni 等)通常被選為III-V 族和氧化物等磁性半導(dǎo)體的摻雜劑[12?14],一方面是其3d 電子殼層是部分占據(jù)的,可提供局域磁矩,另一方面這些過渡族金屬元素的原子半徑和金屬陽離子的半徑相匹配,很容易形成替代摻雜.Dietl 等[2]利用平均場理論預(yù)測當(dāng)Mn 摻雜含量和空穴濃度達(dá)到一定水平時,GaAs 基磁性半導(dǎo)體的TC可以提高到室溫以上.Sato 等[15]從理論上預(yù)測Mn 摻雜GaSb 基磁性半導(dǎo)體的TC與Mn 的摻雜濃度成正比.Tu 等[16?18]在實驗上證實Fe 摻雜GaSb 基磁性半導(dǎo)體的TC隨著Fe 摻雜濃度的增大而升高,當(dāng)Fe 摻雜濃度達(dá)到25%時,(Ga,Fe)Sb 的TC達(dá)到了340 K.由此可見,增大摻雜濃度是提高GaSb基磁性半導(dǎo)體TC的有效手段,為了進(jìn)一步提高過渡族金屬的摻雜濃度,在樣品的制備過程中需要利用高溫高壓等極端條件對樣品的生長氛圍進(jìn)行控制[19,20].然而,過高的摻雜濃度容易在樣品中形成過渡族金屬團(tuán)簇及過渡族金屬化合物等磁性第二相[21,22],因此有必要尋找另外的方法實現(xiàn)具有高TC和本征磁性的GaSb 基磁性半導(dǎo)體.從原子半徑匹配的角度考慮,第二過渡族金屬如Zr,Nb,Mo 等,更容易替代半導(dǎo)體中的金屬陽離子形成替代摻雜,并且這些過渡族金屬相是非磁性的,排除了磁性半導(dǎo)體中磁性來源于金屬團(tuán)簇的可能性.Medvedeva[23]利用第一性原理計算的方法,研究了Mo 摻雜In2O3的電子結(jié)構(gòu)和磁光特性,揭示了磁相互作用在導(dǎo)電性以及控制光吸收的Burstein-Moss 位移方面的重要作用.Park 等[24,25]在Mo 摻雜的In2O3半導(dǎo)體中觀察到了室溫鐵磁性.Egbo等[26]研究發(fā)現(xiàn)Mo 摻雜的In2O3體系位于導(dǎo)帶底部電子的有效質(zhì)量變小,這提高了載流子的遷移率.Lu 等[27]在空氣中燒結(jié)的LaMn0.96Mo0.04O3中觀察到的TC為238 K,認(rèn)為樣品的鐵磁性來源于由Mo6+替代Mn3+后誘發(fā)的Mn3+和Mn2+之間的雙交換作用.Dwivedi 等[28]第一次在Mo 摻雜的CoFe2O4中發(fā)現(xiàn)了磁有序和鐵電性共存的現(xiàn)象,摻雜體系的磁化強(qiáng)度隨著Mo 摻雜濃度的增大而增強(qiáng),并把摻雜體系的巨介電常數(shù)歸因于Maxwell-Wagner 弛豫機(jī)制.可以看出,Mo 作為一種摻雜元素可以實現(xiàn)半導(dǎo)體的鐵磁性,并改善摻雜體系介電常數(shù)和光學(xué)吸收譜等光學(xué)性能.最近有研究表明[29?34],通過對半導(dǎo)體材料施加應(yīng)變來調(diào)節(jié)其物理特性是一種可行的方法.Linpeng 等[29]指出應(yīng)變對受主束縛空穴自旋弛豫和退相具有重要的作用.在雙層膜中,研究者們發(fā)現(xiàn)應(yīng)變可以誘導(dǎo)材料從半導(dǎo)體態(tài)到金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變[31].(Ga0.8,Fe0.2)Sb 材料中的磁晶各向異性表現(xiàn)出了對外延應(yīng)變的依賴性,并且當(dāng)應(yīng)變由拉應(yīng)變變?yōu)閴簯?yīng)變時其正負(fù)性發(fā)生了改變[32].通過選擇不同襯底生長的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu),在其內(nèi)部往往具有拉應(yīng)變或壓應(yīng)變,研究應(yīng)變對半導(dǎo)體物理特性的影響具有重要的意義.作為III-V 族半導(dǎo)體材料,GaSb 具有禁帶寬度小、電子和空穴遷移率高等優(yōu)點(diǎn),使其在半導(dǎo)體自旋電子器件、熱光伏電池、紅外激光器、紅外探測器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景.在GaSb 基磁性半導(dǎo)體領(lǐng)域,存在摻雜元素種類少(主要為Mn,Fe 摻雜),磁矩起源及磁相互作用機(jī)制并沒有得到充分研究,研究結(jié)論比較淺顯等顯著問題.基于以上事實,本文研究了應(yīng)變對Mo 摻雜GaSb 半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)的影響,探討應(yīng)變及Mo 摻雜對GaSb 半導(dǎo)體物理特性影響的微觀物理機(jī)制,為實驗上制備集磁、光功能于一體的新型半導(dǎo)體器件提供一定參考.

2 研究方法與模型的構(gòu)建

本文采用基于密度泛函理論的CASTEP[35?37]軟件進(jìn)行研究.計算體系為64 個原子GaSb 超晶胞,包含32 個Ga 原子和32 個Sb 原子.電子體系波函數(shù)采用平面波波函數(shù)展開,平面波波函數(shù)截止能量為380 eV,計算體系電荷密度和總能量在布里淵區(qū)積分進(jìn)行,基態(tài)能量采用Pulay 密度混合法,自洽精度為 5.0×10?7eV/atom,交換關(guān)聯(lián)泛函采用LDA-CA-PZ 泛函,K空間網(wǎng)格點(diǎn)采用Monkhorst-Pack[38,39]方案,數(shù)值取為 3×3×3 .采用LDA+U方案來修正LDA/GGA 交換關(guān)聯(lián)泛函對GaSb 半導(dǎo)體禁帶寬度低估的這一問題,對Ga-3d 電子和Sb-5p 電子的庫侖位能進(jìn)行修正,當(dāng)庫侖位能的數(shù)值為UGa-3d=2.5 eV 和USb-5p=3.0 eV時計算得到的結(jié)果同實驗值符合最好,此時得到的晶格常數(shù)a0=5.912 ? (實驗值為6.096 ?,1 ?=0.1 nm),禁帶寬度Eg=0.809 eV (實驗值為0.810 eV)[40?42].

Mo 摻雜GaSb 有兩種基本的缺陷類型,分別是MoGa和Mo 替代Sb 缺陷(MoSb).通常用缺陷的形成能來衡量晶體中缺陷的濃度含量,文中兩種替代缺陷的形成能可由下式計算[43]:

Eformation=Edefect?Eperfect?μMo+μX,

式中Edefect表示包含一個MoGa(MoSb)的超晶胞的總能量,Eperfect表示完好的GaSb 超晶胞的總能量,μMo表示Mo 原子的化學(xué)勢,μX表示Ga 原子或Sb 原子的化學(xué)勢.缺陷濃度C與形成能Eformation的關(guān)系表達(dá)式為[43]

C=NsitesNconfigexp[?Eformation/(kBT)],

式中Nsites為單位體積晶格中缺陷位置的數(shù)目,Nconfig為產(chǎn)生缺陷的等效數(shù)量,kB是玻爾茲曼常數(shù),T是熱力學(xué)溫度.由上式可知,當(dāng)T一定時,缺陷濃度與形成能的大小有關(guān),某一缺陷的形成能越小,相應(yīng)的缺陷濃度就越大.計算結(jié)果表明,MoGa的形成能是1.576 eV,MoSb的形成能是3.606 eV,顯然在熱平衡狀態(tài)下,MoGa的濃度高于MoSb.實驗上和理論上已經(jīng)證實[17,18,44,45],MoGa為主的摻雜GaSb 體系可以穩(wěn)定存在,因此本文主要對MoGa的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行理論計算研究.圖1 給出了包含64 個原子的GaSb 超晶胞結(jié)構(gòu)示意圖,圖中阿拉伯?dāng)?shù)字表示MoGa的位置,包含MoGa的GaSb 體系記為(Ga,Mo)Sb.本文應(yīng)變的定義為

圖1 GaSb 超晶胞結(jié)構(gòu),其中大的綠色球代表Ga 原子,小的紫色球代表Sb 原子Fig.1.Structure of GaSb supercell,where the big green balls and small purple balls denote Ga and Sb atoms,respectively.

式中a和a0分別表示有應(yīng)變時和無應(yīng)變時的晶格常數(shù),ε>0 表示拉應(yīng)變,ε<0 表示壓應(yīng)變.

3 計算結(jié)果和分析

3.1 應(yīng)變下GaSb 的力學(xué)特性

材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛性、韌性等力學(xué)特性取決于材料對外力的響應(yīng),因此研究材料的彈性性質(zhì)是研究材料本構(gòu)關(guān)系的重要內(nèi)容.材料的體積模量(bulk modulus,B)和剪切模量(shear modulus,G)通常有兩種不同的計算方法,分別是Voigt 提出的晶體邊界上的應(yīng)力連續(xù)模型[46]和Reuss 提出的晶體邊界上的應(yīng)變連續(xù)模型[47,48].Hill[49]證明了Voigt 模型和Reuss 模型的計算結(jié)果分別對應(yīng)晶體彈性系數(shù)的上下限,并提出了晶體彈性系數(shù)取Voigt 模型和Reuss 模型計算結(jié)果算術(shù)平均值的Voigt-Reuss-Hill 模型.在彈性變化范圍內(nèi),晶體的應(yīng)力和應(yīng)變成正比,彈性模量矩陣是對稱矩陣,滿足Cij=Cji.GaSb 半導(dǎo)體屬于對稱性最高的立方晶系,獨(dú)立變化的張量元素個數(shù)為3 個,分別為C11,C44和C12.Voigt-Reuss-Hill 模型下體積模量和剪切模量的計算公式及力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)(criteria,CRIT)如下:

圖2 給出了–14%—5%應(yīng)變區(qū)間力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)的變化趨勢,可以看出當(dāng)應(yīng)變范圍為–6%—2.5%時,GaSb 半導(dǎo)體具有穩(wěn)定的力學(xué)性能.表1列出了–6%—2%應(yīng)變范圍下GaSb 半導(dǎo)體的體積模量、剪切模量、泊松比和B/G的變化數(shù)據(jù).

圖2 力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)Fig.2.Criteria of mechanical stability.

表1 應(yīng)變下GaSb 的體積模量B、剪切模量G、泊松比 γ 和B/GTable 1.Bulk modulus B,shear modulus G,Poisson ratio γ and B/G under strains.

體積模量反映了材料在彈性系下對外界均一性壓縮的抵抗能力.由表1 可以看出,GaSb 材料的體積模量隨著壓應(yīng)變的增大而增大,隨著拉應(yīng)變的增大而減小.晶體的體積模量與組成晶體化學(xué)鍵的伸縮能力有關(guān),微觀水平下晶體的體積模量由化學(xué)鍵的強(qiáng)度和壓縮性來決定[50].計算結(jié)果表明,隨著壓應(yīng)變的增大,Ga 原子的失電子能力逐漸減弱,Ga—Sb 化學(xué)鍵的鍵布居逐漸增大,這說明Ga—Sb化學(xué)鍵的離子性減弱,共價性增強(qiáng).從另一個角度看,原子抓電子能力越強(qiáng),價電子云在外力作用下越難發(fā)生移動,因此一定程度上可以認(rèn)為化學(xué)鍵的共價性越強(qiáng),材料對外界壓縮的抵抗力也就越強(qiáng).同時從表1 可以看出,剪切模量在零應(yīng)變狀態(tài)下的數(shù)值最大為47.21,且隨著拉應(yīng)變或壓應(yīng)變的增大而變小,表示材料在應(yīng)變下抗剪切形變的能力逐漸減弱,可塑性增強(qiáng).

泊松比表示縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)縱向應(yīng)變之比的絕對值,是反映材料橫向變形的彈性常數(shù).從表1 可以看出,GaSb 材料的泊松比γ數(shù)值隨著壓應(yīng)變的增大而逐漸增大.按照斷裂行為的判據(jù)[51],泊松比高的材料具有高的韌性,因此可認(rèn)為隨著壓應(yīng)變的增大,GaSb 半導(dǎo)體材料的韌性增強(qiáng),發(fā)生脆性斷裂的可能性小.根據(jù)Pugh 判據(jù)[52],B/G可以表示材料的塑性變形能力,從表1可以看出,B/G隨著壓應(yīng)變或拉應(yīng)變的增大而逐步升高,說明應(yīng)變下GaSb 半導(dǎo)體材料的延展性變好.

綜上所述,–6%—2.5%應(yīng)變范圍內(nèi),GaSb 半導(dǎo)體材料具有穩(wěn)定的力學(xué)性能.在此應(yīng)變范圍內(nèi),隨著壓應(yīng)變的增大,GaSb 材料的抗壓性增強(qiáng),抵御塑性形變的能力降低,材料具有較好的可塑性.泊松比的數(shù)值表明,壓應(yīng)變下GaSb 半導(dǎo)體材料的韌性增強(qiáng),發(fā)生脆性斷裂的可能性較小.可以看出,適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)變有利于GaSb 半導(dǎo)體材料力學(xué)性能的提升,這對GaSb 半導(dǎo)體在極端環(huán)境下保持物理性能的穩(wěn)定性是有利的.

半導(dǎo)體材料在制備的過程中,一般可通過材料設(shè)計,包括引入缺陷[53,54],構(gòu)建失配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)[55,56]等方法在材料的內(nèi)部引入壓應(yīng)變或拉應(yīng)變.王志偉等[57]利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在晶格失配較大的GaSb 襯底上沉積SiO2薄膜,通過改變薄膜沉積時的工藝條件,如反應(yīng)溫度、射頻功率、反應(yīng)壓強(qiáng)等獲得了具有不同內(nèi)部應(yīng)變的SiO2薄膜.Goel 等[32]利用分子束外延法在不同緩沖層上制備了具有不同應(yīng)變的(Ga,Fe)Sb 磁性半導(dǎo)體材料(ε=?1.7 %,緩沖層AlSb;ε=0.23 %,緩沖層In0.5Ga0.5As;ε=3.84 %,緩沖層GaAs),并認(rèn)為通過不同的緩沖層可生長出具有不同應(yīng)變的(Ga,Fe)Sb 磁性半導(dǎo)體材料.Kondrin 等[19]在實驗上研究了(Ga,Cr)Sb 體系在高壓(6—8 GPa)下的電子輸運(yùn)特性和磁特性,第一性原理計算結(jié)果表明,當(dāng)施加靜水壓力為8 GPa 時,GaSb 體系的應(yīng)變可以達(dá)到ε=?3.5 %,可見對樣品施加高壓也是使其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)變的有效手段.基于半導(dǎo)體材料晶格常數(shù)的考慮,可認(rèn)為通過以AlSb,CdSe,InSb等(InAs,InP,AlAs 等)作為緩沖層可制備出具有不同拉應(yīng)變(壓應(yīng)變)的(Ga,Mo)Sb 半導(dǎo)體材料.考慮到太大的拉應(yīng)變或壓應(yīng)變在材料制備的過程難以實現(xiàn),本文主要研究–3%—2%應(yīng)變范圍內(nèi)(Ga,Mo)Sb 體系的磁學(xué)及光學(xué)性能.

3.2 應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb 的磁學(xué)特性

研究了不同應(yīng)變下包含一個MoGa的(Ga,Mo)Sb 體系的電子結(jié)構(gòu)和磁特性.計算結(jié)果表明,當(dāng)應(yīng)變在–1.1%—2%范圍內(nèi)變化時,(Ga,Mo)Sb體系的態(tài)密度圖(density of states,DOS)和磁矩的分布具有相似性.圖3(a)和圖3(b)給出了零應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb 體系的總態(tài)密度圖(total DOS,TDOS)和Mo-4d 電子的投影態(tài)密度圖(projected DOS,PDOS).從圖3(a)可以看出,零應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb 體系的自旋向上電子和自旋向下電子的態(tài)密度在零點(diǎn)費(fèi)米能級處不對稱,發(fā)生了自旋劈裂,說明(Ga,Mo)Sb 體系中產(chǎn)生了凈磁矩.圖3(b)給出了Mo-4d 電子的PDOS,Mo-4d 電子占據(jù)自旋向上態(tài)的電子數(shù)目多于占據(jù)自旋向下態(tài)的電子數(shù)目,表明(Ga,Mo)Sb 體系中的Mo 原子產(chǎn)生了自旋向上(正)的凈磁矩.圖4(a)給出了不同應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb 體系中磁矩的分布來源,計算結(jié)果顯示,零應(yīng)變下Mo 原子產(chǎn)生3.04μB的磁矩,近鄰Sb 原子產(chǎn)生–0.13μB的磁矩,其余磁矩由次近鄰Ga 原子所貢獻(xiàn),一個MoGa產(chǎn)生總磁矩的大小為3μB,可以看出磁矩主要由摻雜Mo 原子所貢獻(xiàn).為了形象展示磁矩的這一分布,圖5(a)給出了–1%應(yīng)變下包含一個MoGa的(Ga,Mo)Sb 體系的空間自旋密度分布圖,圖中的藍(lán)色部分表示由Mo 原子產(chǎn)生向上的凈自旋,黃色部分是Mo 近鄰4 個Sb 原子產(chǎn)生向下的凈自旋.–1.1%—2%應(yīng)變范圍內(nèi),一個MoGa產(chǎn)生總的磁矩都為3μB,只是磁矩的分布有所不同,見圖4(a),此時MoGa處于高自旋態(tài)(high spin state,HSS).

圖3 (Ga,Mo)Sb 體系在HSS 和LSS 下的態(tài)密度圖 (a) 零應(yīng)變下的TDOS;(b)零應(yīng)變下Mo-4d 電子的PDOS;(c)–1.2%應(yīng)變下的TDOS;(d)–1.2%應(yīng)變下Mo-4d 電子的PDOSFig.3.Density of states (DOS) of (Ga,Mo)Sb in HSS and LSS:(a) TDOS and (b) PDOS of Mo-4d without strain;(c) the TDOS and (d) the PDOS of Mo-4d under–1.2% strain.

圖4 (a) 應(yīng)變下,(Ga,Mo)Sb 體系中摻雜Mo 原子和近鄰Sb 原子的磁矩;(b) 應(yīng)變下,S(12)和S(23)結(jié)構(gòu)的ΔEFig.4.(a) Magnetic moments contributed by Mo and neighbor Sb (N Sb) under strains and (b) ΔE of S(12) and S(23) under strains,respectively.

當(dāng)應(yīng)變在–3%至–1.2%范圍變化時,MoGa轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥孕龖B(tài)(low spin state,LSS),此時(Ga,Mo)Sb 體系產(chǎn)生的總磁矩為1μB.從圖3(c)可以看出(Ga,Mo)Sb 體系的TDOS 自旋向上電子占據(jù)數(shù)目和自旋向下電子占據(jù)數(shù)目不相等,表明體系中產(chǎn)生了凈磁矩.圖3(d)給出了Mo-4d 電子的PDOS,同樣表明摻雜體系中Mo 原子產(chǎn)生了正的凈磁矩.比較圖3(b)和圖3(d)可以看出,HSS 下Mo-4d 電子在零點(diǎn)費(fèi)米能級處的一個自旋向上的態(tài)密度峰是部分占據(jù)的,而LSS 下Mo-4d 電子在零點(diǎn)費(fèi)米能級處有一個電子部分占據(jù)的自旋向下的態(tài)密度峰.從圖4(a)可以看出,–3%至–1.2%應(yīng)變范圍下(Ga,Mo)Sb 體系的磁矩主要由Mo 原子所貢獻(xiàn),Mo 原子近鄰Sb 原子產(chǎn)生自旋向下的凈磁矩,且數(shù)值很小.LSS 下MoGa的空間自旋密度分布圖,見圖5(b),可以看出,Mo 原子周圍4 個近鄰Sb 原子產(chǎn)生的磁矩很小.

圖5 等值面為0.01 e/?3 的空間自旋密度圖 (a) HSS下MoGa;(b) LSS 下MoGa;(c) HSS 下S(12)結(jié)構(gòu)FM 耦合;(d) LSS 下S(23)結(jié)構(gòu)FM 耦合Fig.5.The spatial spin density for (a) MoGa under HSS,(b) MoGa under LSS,(c) FM coupling of S(12) under HSS,(d) FM coupling of S(23) under LSS,respectively.The isovalue is set to 0.01 e/?3.

顯然,摻雜的Mo 原子在一定程度上誘導(dǎo)了GaSb 半導(dǎo)體的自旋極化,應(yīng)變對MoGa產(chǎn)生的局域磁矩大小和分布都有影響.MoGa中,Mo 原子周圍最近鄰的4 個Sb 原子構(gòu)成正四面體,Mo 原子位于正四面體的中心.以正立方體為參照系,坐標(biāo)原點(diǎn)位于正立方體的中心,坐標(biāo)沿著與正立方體的棱平行的方向伸展,見圖6.4 個最近鄰Sb 原子位于正立方體互不相鄰的4 個頂點(diǎn)上,dxy,dxz和dyz這3 條d 電子軌道的波瓣指向正立方體各棱的中心,距離4 個Sb 原子較近,受到較大的排斥作用使軌道能量升高較多,分裂后這3 條d 電子軌道的能量簡并,用群論的符號記為 t2軌道.另外兩個軌道的波瓣指向正立方體的面心,距離4 個Sb 原子較遠(yuǎn),受到的排斥力較小,軌道能量升高較少,分裂后這兩條軌道的能量簡并,記為e 軌道.四面體晶場作用下d 電子軌道的分裂能即為 t2軌道和e 軌道之間的能量差,記為Δt.

圖6 d 電子軌道四面體晶場分裂示意圖Fig.6.Diagram of Mo-4d orbital splitting under tetrahedral crystal field.

Mo 原子的電子組態(tài)是[Kr]4d55s1,當(dāng)Mo 原子替代Ga 原子后,Mo 原子失去3 個價電子與周圍近鄰的4 個Sb 原子成鍵,此時Mo 離子的電子組態(tài)變?yōu)閇Kr]4d3.Mo-4d 電子軌道在四面體晶場的作用下分裂成能量較低的e 軌道和能量較高的t2軌道,Mo 剩余的3 個4d 電子的排布有兩種可能:2 個電子排在自旋向上的e 軌道,1 個電子排在自旋向下的e 軌道,電子結(jié)構(gòu)可以表示為 e↑↑↓(↑表示自旋向上的電子,↓表示自旋向下的電子),這種方式稱為LSS,此時電子成對要克服成對能EP;為了避免成對能,2 個電子在自旋向上的e 軌道,1 個電子在自旋向上的 t2軌道,電子結(jié)構(gòu)可以表示為,這種方式稱為HSS.顯然,當(dāng)Δt>EP時電子排布采取LSS,反之采取HSS.

–1.1%—2%應(yīng)變范圍下,Mo-4d 電子的軌道分裂能ΔtEP,Mo-4d 電子處于LSS,此時(Ga,Mo)Sb 體系的能帶結(jié)構(gòu)圖見圖7(b).從圖7(b)可以看出,e?(“–“表示自旋向下的軌道)軌道跨過零點(diǎn)費(fèi)米能級,對應(yīng)圖3(d)中零點(diǎn)費(fèi)米能級處被電子部分占據(jù)的自旋向下態(tài).Mo-4d 電子從HSS 到LSS 的轉(zhuǎn)變,是由于不同應(yīng)變下Mo 原子和近鄰Sb 原子的緊密程度不同所導(dǎo)致.應(yīng)變由2%至–3%變化的過程中,Mo 原子和4 個近鄰的Sb 原子越來越緊密,受到四面體晶場的影響越來越大,d 電子軌道的分裂能也就越來越大,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到–1.2%時,分裂能Δt>EP,這是Mo-4d 電子由HSS 向LSS 轉(zhuǎn)變的臨界應(yīng)變.

圖7 (Ga,Mo)Sb 體系的能帶圖 (a)零 應(yīng) 變 下HSS;(b)–1.2%應(yīng)變下LSS.黑色實線表示自旋向上的能帶,紅色虛線表示自旋向下的能帶.在能量為0 處的水平藍(lán)色虛線表示費(fèi)米能級Fig.7.Band structures of (Ga,Mo)Sb in (a) HSS without strain and (b) LSS under–1.2% strain.Black solid lines and red dotted lines denote spin-up and spin-down bands,respectively.The horizontal blue dotted lines located at 0 energy are Fermi levels.

為了研究MoGa產(chǎn)生局域磁矩之間的耦合特性,在包含64 原子GaSb 超晶胞結(jié)構(gòu)中引入兩個MoGa,為了避免第一性原理計算中鏡像缺陷之間不合理的相互作用對計算結(jié)果的影響,兩個MoGa之間的距離不應(yīng)該超過摻雜體系晶格常數(shù)的一半.設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu):用兩個Mo 原子替代圖1 中的1 號和2 號Ga 原子,記為結(jié)構(gòu)S(12);用兩個Mo 原子替代2 號和3 號Ga 原子形成結(jié)構(gòu)S(23).零應(yīng)變下,S(12)和S(23)結(jié)構(gòu)中兩個Mo 原子之間的距離分別為4.180 ?和5.912 ?,其中S(23)結(jié)構(gòu)中兩個MoGa都在(010)晶面內(nèi).設(shè)定兩種結(jié)構(gòu)下Mo 原子的初始自旋,就可以計算鐵磁(ferromagnetism,FM)耦合和反鐵磁(anti ferromagnetism,AFM)耦合狀態(tài)下體系的總能量,MoGa的磁耦合特性可以根據(jù)FM 狀態(tài)下體系總能量(EFM)和AFM 狀態(tài)下體系總能量(EAFM)的能量差來判斷,ΔE=EAFM?EFM,若 ΔE >0,表明MoGa產(chǎn)生的局域磁矩傾向于FM 耦合,反之為AFM 耦合.

圖4(b)給出了 ΔE隨應(yīng)變的變化趨勢,ΔE可以表征局域磁矩之間的耦合強(qiáng)度和相應(yīng)磁序的穩(wěn)定性.從圖4(b)可以看出,S(12)和S(23)兩種結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變下,ΔE >0,ΔE越大表明體系FM 耦合相互作用越強(qiáng),TC越高[58].圖4(b)的結(jié)果表明,無論是LSS 還是HSS,摻雜體系局域磁矩之間的耦合都傾向于FM 耦合,其FM 耦合機(jī)制可以用d-d 交換模型和p-d 交換模型來解釋[59].–3%至–1.2%應(yīng)變范圍下MoGa處于LSS,其電子結(jié)構(gòu)為 e↑↑↓,e?軌道跨過零點(diǎn)費(fèi)米能級,見圖3(d)或圖7(b),不同MoGa的 e?軌道上電子之間的交換并不需要改變電子的自旋方向,因此LSS 下MoGa產(chǎn)生局域磁矩之間的耦合是FM 耦合,這種由Mo-4d 電子直接交換產(chǎn)生的相互作用稱為d-d 交換作用.–1.1%—2%應(yīng)變范圍下MoGa處于HSS,其電子結(jié)構(gòu)為,t2+軌道跨過零點(diǎn)費(fèi)米能級,見圖3(b)或圖7(a),t2+軌道上電子之間的交換作用(d-d 交換作用)導(dǎo)致MoGa產(chǎn)生的局域磁矩之間的耦合同樣是FM 耦合,雖然HSS 下e 軌道是半占據(jù)的,但由于 e+軌道位于零點(diǎn)費(fèi)米能級下–1.25 eV處,見圖7(a),因此 e+軌道上的電子并不會產(chǎn)生直接的交換作用.

圖4(b)中的兩條 ΔE曲線展現(xiàn)了左低相差較大和右高相差較小的特點(diǎn).從圖4(b)可以看出,–3%至–1.2%應(yīng)變范圍下,S(12)結(jié)構(gòu)的 ΔE(黑色方塊線)較小,–1.2%應(yīng)變下的數(shù)值為122.3 meV,當(dāng)應(yīng)變增大到–1%時,ΔE躍變到212.6 meV.對比圖4(a)可以看出,MoGa也由LSS 轉(zhuǎn)變到HSS.對于S(23)結(jié)構(gòu),–3%至–1.2%應(yīng)變范圍內(nèi)的ΔE(紅色圓點(diǎn)線)低于同應(yīng)變范圍內(nèi)S(12)結(jié)構(gòu)的 ΔE,–1.2%應(yīng)變下的數(shù)值只有75.8 meV,當(dāng)應(yīng)變增大到–1%時,ΔE躍變到179.6 meV,此時S(23)結(jié)構(gòu)中MoGa由LSS 轉(zhuǎn)變到HSS.S(12)和S(23)兩種結(jié)構(gòu)在LSS 下(–3%至–1.2%)的 ΔE均明顯小于其在HSS 下(–1%—2%)的 ΔE,這是因為LSS下局域磁矩之間相互作用只能通過d-d 交換作用來實現(xiàn),但對于HSS 狀態(tài),除了d-d 交換作用,還有Mo-4d 電子通過近鄰Sb-5p 電子產(chǎn)生的間接交換作用,這種交換作用稱為p-d 交換作用.圖4(a)的計算結(jié)果表明,LSS 下?lián)诫sMo 原子近鄰Sbp 電子產(chǎn)生的磁矩(–0.05μB)遠(yuǎn)小于HSS 下近鄰Sb-p 電子產(chǎn)生的磁矩(–0.12μB),因此HSS 下局域磁矩之間的FM 耦合是d-d 交換作用和p-d 交換作用共同支配的結(jié)果,HSS 下FM 耦合相互作用更強(qiáng)一些,這導(dǎo)致了較大的 ΔE.對于LSS,相同應(yīng)變下S(12)和S(23)兩種結(jié)構(gòu)體系的 ΔE相差較大,這是由d-d 交換作用的短程性的特點(diǎn)所導(dǎo)致[4],S(23)結(jié)構(gòu)下兩個MoGa的距離較遠(yuǎn),d-d 交換作用的強(qiáng)度迅速減弱.對于HSS,相同應(yīng)變下S(12)和S(23)兩種結(jié)構(gòu)體系的 ΔE變化相對較小,這是因為HSS 下除了d-d 交換作用,還有p-d 交換作用,而p-d 交換作用具有長程性[4],因此HSS 下MoGa的間距對其產(chǎn)生局域磁矩之間耦合強(qiáng)度的影響沒有LSS 下那樣明顯.值得關(guān)注的是,在–1.1%—0%應(yīng)變范圍內(nèi),Mo 處于HSS,此時局域磁矩之間的FM 耦合強(qiáng)度明顯大于零應(yīng)變時的情況,說明在此應(yīng)變范圍內(nèi)對實現(xiàn)高TC本征鐵磁性(Ga,Mo)Sb半導(dǎo)體是極其有利的.

對于III-V 族磁性半導(dǎo)體各種磁現(xiàn)象的解釋,Dietl 等[2,60]建立了空穴(hole,h)載流子導(dǎo)致局域化自旋磁性相互作用的平均場模型.從圖4(a)可以看出,–1.2%應(yīng)變下Mo 產(chǎn)生的磁矩為1.03μB,–1%應(yīng)變下Mo 產(chǎn)生的磁矩為3.01μB,因此(Ga,Mo)Sb 體系中Mo 原子價態(tài)為+3 價,此時Mo-4d 電子數(shù)目為3 個.根據(jù)Hund 定則,半滿的d 殼層(5 個d 電子)是比較穩(wěn)定的,因此MoGa中心將束縛2 個電子在4d 殼層,再加上2 個弱束縛的空穴構(gòu)成的狀態(tài)比較穩(wěn)定,此時MoGa的電子態(tài)為A0(d5+2h),這里A0表示電中性中心,這樣Mo 原子替代3 價Ga 原子,既提供了局域化的自旋,又提供了空穴載流子,由于p-d 雜化,Mo 雜質(zhì)帶附近的價帶空穴自旋與Mo 局域自旋方向相反.由于價帶波函數(shù)比較擴(kuò)展,一個空穴可以與一定數(shù)目的Mo 局域自旋結(jié)合,當(dāng)空穴濃度足夠高時,就可以產(chǎn)生以空穴載流子為媒介的自旋與自旋之間的相互作用.在(Ga,Mn)As 磁性半導(dǎo)體中,Mn的價態(tài)為+3 價,Mn 替代Ga 缺陷(MnGa)中心的電子態(tài)為A0(d5+h)[61,62],可以看出,相比于Mn 原子,Mo 原子在增大空穴載流子濃度方面更具有優(yōu)勢,這對于提高GaSb 基磁性半導(dǎo)體的TC是極為有利的.

圖5(c)給出了HSS 下S(12)結(jié)構(gòu)兩個MoGa產(chǎn)生局域磁矩FM 耦合的自旋密度空間分布圖.可以看出磁矩之間的相互作用是通過Mo-4d 電子波函數(shù)的交疊(d-d 交換作用)和Sb-5p 電子波函數(shù)的交疊(p-d 交換作用)來實現(xiàn).比較圖5(a)和圖5(c)可知,圖5(c)中的兩個MoGa均處于HSS.圖5(d)給出了LSS 下S(23)結(jié)構(gòu)兩個MoGa產(chǎn)生局域磁矩FM 耦合的自旋密度空間分布圖,LSS 下Sb-5p 電子對磁矩的貢獻(xiàn)很小,MoGa產(chǎn)生磁矩之間的相互作用主要通過d-d 交換作用而非p-d 交換作用來實現(xiàn).比較圖5(b)和圖5(d)可知,圖5(d)中兩個MoGa均處于LSS.

3.3 應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb 的光學(xué)特性

GaSb 由于其較低的禁帶寬度,使其可以與多種輻射體的光譜相匹配,因此以GaSb 材料為基礎(chǔ)的熱光伏電池得到了廣泛的研究[63,64].為了使GaSb基熱光伏電池更好地與溫度較低的輻射器相匹配,基于GaSb 相關(guān)的三元、四元III-V 族化合物被發(fā)現(xiàn)并用來制作熱光伏電池.雖然多元GaSb 相關(guān)化合物的禁帶寬度最低達(dá)到了0.53 eV,有效拓展了紅外光譜的響應(yīng)范圍,但由于較大的表面復(fù)合速度而限制了熱電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升[65?67].目前用于熱光伏電池的GaSb 基半導(dǎo)體材料仍然存在禁帶寬度偏大,不能很好地和熱輻射器相匹配以及實際轉(zhuǎn)換效率不高等問題,因此有必要研究(Ga,Mo)Sb 體系的光學(xué)性質(zhì),拓展GaSb 基半導(dǎo)體材料在紅外熱光伏電池、紅外半導(dǎo)體激光器、探測器等領(lǐng)域的應(yīng)用.

半導(dǎo)體在線性響應(yīng)范圍的光學(xué)性質(zhì)通常用復(fù)介電函數(shù)ε(ω)=ε1(ω)+iε2(ω)來描述,其中ε2(ω)表示復(fù)介電函數(shù)的虛部,由價電子在占據(jù)軌道和非占據(jù)軌道之間的躍遷來計算;ε1(ω)表示復(fù)介電函數(shù)的實部,由ε2(ω)所滿足的Kramers-Kr?nig 色散關(guān)系確定[68].具體函數(shù)表達(dá)式為

式中p為積分主值,ω為入射光子的圓頻率,s為積分變量.積分主值p的表達(dá)式為

利用復(fù)介電函數(shù)與復(fù)折射率之間的函數(shù)關(guān)系((n(ω)+ik(ω))2=ε1(ω)+iε2(ω))和Kramers-Kr?nig 色散關(guān)系可以得到吸收系數(shù)α(ω)[68],函數(shù)表達(dá)式如下:

α(ω)=2ωk(ω)/c

式中c為光速,普通折射率n(ω)為復(fù)折射率的實部,決定光衰減的k(ω)為復(fù)折射率的虛部.

圖8(a)給出了應(yīng)變下GaSb 和(Ga,Mo)Sb的光學(xué)吸收譜.可以看出GaSb 體系(黑色實線)對遠(yuǎn)紅外光區(qū)光子沒有吸收,其光學(xué)吸收譜的吸收邊落在了1667 nm 處,此波長光子對應(yīng)的能量是電子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底所需要的最小能量,即0.809 eV.–2%—2%應(yīng)變范圍內(nèi),(Ga,Mo)Sb體系在大于300 nm 范圍內(nèi)對入射光子的吸收幅度相比于未摻雜GaSb 體系均有很大的提升,且其光學(xué)吸收譜的吸收邊落在了遠(yuǎn)紅外光區(qū),即發(fā)生了紅移現(xiàn)象.從圖7 可以看出,Mo 摻雜引入的雜質(zhì)能級位于價帶和導(dǎo)帶之間,且跨過零點(diǎn)費(fèi)米能級,電子由價帶向?qū)кS遷時以雜質(zhì)能級為橋梁,躍遷所需要的能量變小,因此提升了(Ga,Mo)Sb 體系對長波光子的吸收能力,這是(Ga,Mo)Sb 體系光學(xué)吸收譜的吸收邊發(fā)生紅移的原因.從圖8(a)還可以看出,(Ga,Mo)Sb 體系對可見光區(qū)和紅外光區(qū)光子的吸收幅度隨著拉應(yīng)變的增大而增大,隨著壓應(yīng)變的增大而減小.這說明應(yīng)變對(Ga,Mo)Sb體系的光吸收也有影響,適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)變有利于提升(Ga,Mo)Sb 體系對可見光區(qū)和紅外光區(qū)光子的吸收幅度.

復(fù)介電函數(shù)的實部ε1(ω) 表征了半導(dǎo)體材料在外電場作用下的極化程度,實部數(shù)值越大說明體系的電極化能力越強(qiáng),在入射光子能量為零時對應(yīng)的數(shù)值為靜態(tài)介電常數(shù).從圖8(b)可以看出,零應(yīng)變下GaSb 復(fù)介電函數(shù)實部(黑色實線)在入射光子能量為0 時的數(shù)值為19.43,零應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb體系(綠色實線)所對應(yīng)的數(shù)值為32.84.這說明MoGa可以有效提高(Ga,Mo)Sb 體系的介電性能,摻雜體系電極化能力的提升和光生電場強(qiáng)度的變大有利于光生電子-空穴對的形成和分離,提高了摻雜體系對長波光子的光電轉(zhuǎn)換能力.–2%—2%應(yīng)變范圍內(nèi),(Ga,Mo)Sb 體系在0—1.75 eV 區(qū)間的實部數(shù)值均大于零應(yīng)變GaSb 體系所對應(yīng)實部數(shù)值,且(Ga,Mo)Sb 體系的靜態(tài)介電常數(shù)隨著拉應(yīng)變的增大而增大,隨著壓應(yīng)變的增大而減小.這同樣說明應(yīng)變對(Ga,Mo)Sb 體系的光電轉(zhuǎn)換效率有重要影響,適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)變有利于(Ga,Mo)Sb 體系光學(xué)性能的提升.

復(fù)介電函數(shù)的虛部ε2(ω) 表征的是半導(dǎo)體內(nèi)部形成電偶極子所消耗的能量,虛部數(shù)值越大說明價電子處于激發(fā)態(tài)的數(shù)目越多,反映了半導(dǎo)體材料中電子的受激躍遷程度.從圖8(b)可以看出,–2%—2%應(yīng)變范圍內(nèi),(Ga,Mo)Sb 體系在0—1.51 eV能量區(qū)間的虛部數(shù)值均大于零應(yīng)變下GaSb 體系(黑色虛線)對應(yīng)能量區(qū)間的虛部數(shù)值,表明(Ga,Mo)Sb 體系對紅外、遠(yuǎn)紅外光區(qū)光子的吸收能力增強(qiáng).零應(yīng)變(Ga,Mo)Sb 體系的虛部(綠色虛線)在光子能量為0 的數(shù)值為0.87,而GaSb 體系對應(yīng)虛部的數(shù)值為0.這說明(Ga,Mo)Sb 體系對能量為“0”的光子就有響應(yīng),其原因在于Mo 引入的雜質(zhì)能級是部分占據(jù)的且跨過零點(diǎn)費(fèi)米能級,電子在簡并的雜質(zhì)能級之間躍遷并不需要吸收光子即可發(fā)生,此即電子的帶內(nèi)響應(yīng),雖然Mo 摻雜引入雜質(zhì)能級上電子的帶內(nèi)響應(yīng)對摻雜體系的光學(xué)性質(zhì)有一定的影響,起主要作用的是電子在不同能級之間的直接躍遷[69].–2%—2%應(yīng)變范圍內(nèi),(Ga,Mo)Sb 體系在低能區(qū)的數(shù)值隨著拉應(yīng)變的增大而增大,隨著壓應(yīng)變的增大而降低,說明拉應(yīng)變可以提升(Ga,Mo)Sb 體系電子的受激躍遷程度,有利于材料光催化性能的提升.

圖8 (a) 應(yīng)變下,GaSb 和(Ga,Mo)Sb 的光學(xué)吸收譜;(b) 應(yīng)變下,GaSb 和(Ga,Mo)Sb 的復(fù)介電函數(shù),實線代表實部,虛線代表虛部Fig.8.(a) Absorption spectra and (b) complex dielectric function of GaSb and (Ga,Mo)Sb under strains.In panel(b) solid and dotted lines denote real and imaginary parts,respectively.

(Ga,Mo)Sb 體系光學(xué)性質(zhì)部分的計算模型為包含一個MoGa的64 個原子GaSb 超晶胞結(jié)構(gòu)體系,此時摻雜Mo 原子的摩爾濃度為3.125%.若考慮(Ga,Mo)Sb 體系磁性半導(dǎo)體具有較高的TC,Mo 原子的摻雜濃度不應(yīng)低于6.25%,這也正是S(23)結(jié)構(gòu)中Mo 原子的摻雜濃度.雖然摻雜濃度高,費(fèi)米能級處雜質(zhì)能級上電子的數(shù)目多,有利于(Ga,Mo)Sb 體系對紅外光區(qū)、遠(yuǎn)紅外光區(qū)光子的吸收;但也有其不利的一面,由摻雜元素引入雜質(zhì)能級的附加勢是作用距離僅為一兩個原子的短程勢[68],高濃度摻雜下密集的Mo 原子可以成為電子-空穴對的有效復(fù)合中心,從而使載流子的壽命大大降低,影響材料的光學(xué)性能.采用低溫分子束外延生長方法,濃度高達(dá)25%的(Ga,Fe)Sb 樣品實驗上已制備成功[16,17],理論上關(guān)于鐵磁性計算的摻雜濃度高達(dá)50%[11,70],若綜合考慮(Ga,Mo)Sb體系的磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì),可認(rèn)為在均勻摻雜前提下,提高摻雜濃度既可以增大體系中的空穴載流子濃度,又可以避免電子-空穴對復(fù)合中心的形成[69,71].

以上分析結(jié)果表明,MoGa的摻雜有利于提高GaSb 半導(dǎo)體材料中載流子的受激躍遷程度,同時摻雜體系的電極化能力和光生電場強(qiáng)度的增強(qiáng)有利于光生電子-空穴對的產(chǎn)生和分離,改善了(Ga,Mo)Sb 體系的光催化特性,提升了(Ga,Mo)Sb 體系對可見光區(qū)、紅外光區(qū)光子的吸收幅度,拉應(yīng)變可進(jìn)一步提高(Ga,Mo)Sb 體系的光學(xué)性能.

4 結(jié)論

運(yùn)用第一性原理LDA+U的方法研究了不同應(yīng)變下Mo 摻雜GaSb 的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì).結(jié)論如下:1)–6%—2.5%應(yīng)變范圍內(nèi)GaSb半導(dǎo)體材料具有穩(wěn)定的力學(xué)性能.隨著壓應(yīng)變的增大,GaSb 材料的抗壓性和可塑性增強(qiáng),材料發(fā)生脆性斷裂的可能性較小,適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)變有利于GaSb 半導(dǎo)體材料力學(xué)性能的提高,這對GaSb 半導(dǎo)體材料在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的物理性能是有利的.2) 應(yīng)變對MoGa的電子結(jié)構(gòu)有重要的影響.–3%至–1.2%應(yīng)變范圍下MoGa處于LSS 并產(chǎn)生1μB的局域磁矩,局域磁矩之間的耦合是FM 耦合,強(qiáng)度較弱,FM 耦合的微觀物理機(jī)制可用dd 交換作用模型來解釋.–1.1%—2%應(yīng)變范圍下MoGa處于HSS 并產(chǎn)生3μB的磁矩,可用d-d 交換作用模型和p-d 交換作用模型來解釋局域磁矩之間的FM 耦合,HSS 下磁矩之間的FM 耦合具有很高的穩(wěn)定性.HSS 下的FM 耦合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于LSS 下的FM 耦合強(qiáng)度,對于HSS,ΔE隨著壓應(yīng)變增大而變大,–1%應(yīng)變下的 ΔE高達(dá)212.6 meV,表明對于(Ga,Mo)Sb 體系適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)變可以使MoGa處于HSS,且MoGa產(chǎn)生局域磁矩之間的FM 耦合強(qiáng)度也會明顯增強(qiáng).3) MoGa引入的雜質(zhì)能級可以作為電子從價帶向?qū)кS遷的橋梁,電子的帶間躍遷對所需要吸收光子的能量變小,從而提升了(Ga,Mo)Sb 體系對長波光子的吸收能力,光學(xué)吸收譜的吸收邊落在了遠(yuǎn)紅外光區(qū),有效拓展了(Ga,Mo)Sb 體系對光子的吸收范圍;零應(yīng)變下,MoGa使GaSb 半導(dǎo)體的靜態(tài)介電常數(shù)由19.43 提升至32.84,表明MoGa的引入可以大大提高(Ga,Mo)Sb 體系的電極化能力,有利于(Ga,Mo)Sb 體系光生電子-空穴對的產(chǎn)生和分離;(Ga,Mo)Sb 體系復(fù)介電函數(shù)虛部數(shù)值的增大表明其價電子具有很高的受激躍遷程度.MoGa提高了(Ga,Mo)Sb體系對長波光子的吸收及其光電轉(zhuǎn)換效率,提高了材料的光催化特性.此外,拉應(yīng)變可進(jìn)一步提升(Ga,Mo)Sb 在紅外光區(qū)的光學(xué)性能.

通過對應(yīng)變下(Ga,Mo)Sb 體系磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)影響的研究分析,我們認(rèn)為在樣品的生長過程中,施加一定的應(yīng)變可提升(Ga,Mo)Sb 體系的磁學(xué)及光學(xué)性能,期望我們的研究為實驗上制備新型的GaSb 基半導(dǎo)體材料提供一定的理論參考.