稀磁半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展

稀磁半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展

李自成的地質(zhì)學(xué)是一門新的理論和交叉學(xué)科，具有豐富的物理現(xiàn)象和巨大的應(yīng)用價(jià)值。稀磁半導(dǎo)體材料在同一器件上結(jié)合了凝聚態(tài)的兩大分支:半導(dǎo)體(利用了電子電荷的自由度)和存儲(chǔ)材料(利用了電子自旋的自由度)。還有不少學(xué)者深入半導(dǎo)體材料的熱電性能研究以及納米金屬硫族半導(dǎo)體材料的研究。新近發(fā)展的自旋電子學(xué)期望在同1種物質(zhì)中同時(shí)運(yùn)用電子的電荷和自旋,以GaAs/(Al,Ga)As系統(tǒng)為基礎(chǔ)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于新物理及其器件的發(fā)展提供了方便的測(cè)試平臺(tái),從而為Ⅲ-Ⅴ族磁性半導(dǎo)體的引入打開(kāi)了在當(dāng)前已存在的光電器件基礎(chǔ)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(dǎo)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(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作的要求。本征的GaAs材料中,Ga提供3個(gè)價(jià)電子,摻雜1個(gè)Mn離子可獲得1個(gè)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(dǎo)致的鐵磁性進(jìn)一步激勵(lì)人們研究Ⅲ-Ⅴ基DMS的興趣。但是從實(shí)際應(yīng)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(jì)算中預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)報(bào)道的(Ga,Mn)As具有的最高Tc只有150K。本文作為理論研究沒(méi)有確定具體材料,而是對(duì)p型材料的居里溫度進(jìn)行具體研究,得到的結(jié)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(shí)驗(yàn)報(bào)道可知,DMS的居里溫度是與過(guò)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(guān)的常數(shù)。1.2影響因素函數(shù)。影響局部比文獻(xiàn)中的理論證明,反鐵磁性交換作用對(duì)居里溫度有影響,具體的影響程度可由下面的函數(shù)來(lái)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(shí)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(duì)強(qiáng)度。1.3空穴濃度對(duì)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(shí),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(huì)降低,且降低的程度與空穴濃度有關(guān)。本文對(duì)同種基質(zhì)材料摻雜不同元素的居里溫度進(jìn)行對(duì)比分析。2摻雜的情況為了使理論計(jì)算具有實(shí)用價(jià)值,選用室溫(300K)為計(jì)算溫度,并做如下表述和假設(shè):1)記基質(zhì)材料中被取代原子的數(shù)密度為N,價(jià)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(jì)算過(guò)程中,摻雜濃度的x相同。3)摻雜的雜質(zhì)在室溫下處于強(qiáng)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(jì),此時(shí)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(jià)電子數(shù)為a,B的價(jià)電子數(shù)為b,則雜質(zhì)A對(duì)應(yīng)低價(jià)元素,雜質(zhì)B對(duì)應(yīng)高價(jià)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(shè)1個(gè)A原子摻雜時(shí)可得到s=c-a個(gè)空穴,1個(gè)B原子摻雜時(shí)可得到k=c-b個(gè)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(dá)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(jì)算雜質(zhì)A和B摻雜時(shí)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(gè)原子摻雜時(shí)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(shè)s>k,整理得:至此,本文的第1個(gè)結(jié)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(jià)元素?fù)诫s形成的DMS材料其居里溫度較高?？紤]摻雜3d過(guò)渡金屬的情形,Cr只有1個(gè)價(jià)電子,Mn有2個(gè)價(jià)電子(其余的均大于/等于3個(gè)價(jià)電子,不予考慮),對(duì)于特定的基質(zhì)材料(如GaAs,Ga的價(jià)電子數(shù)為3),則摻雜Cr和Mn均能得到p型DMS材料,1個(gè)Cr原子參雜時(shí)可得到s個(gè)空穴,1個(gè)Mn原子參雜時(shí)可得到k個(gè)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(gè)計(jì)算結(jié)果與用平均場(chǎng)近似的海森堡模型計(jì)算的結(jié)果是相符合的。2.2u3000考慮反鐵磁性交換作用時(shí)的居里溫度居里溫度的表達(dá)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(shí),居里溫度的相對(duì)大小用反鐵磁性交換作用的相對(duì)強(qiáng)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(jì)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(jié)合式(2)～(4),可以將考慮反鐵磁性交換作用時(shí)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(gè)結(jié)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(shí),低價(jià)元素?fù)诫s形成的DMS材料其居里溫度較高。同樣考慮摻雜3d過(guò)渡金屬的情形,Cr只有1個(gè)價(jià)電子,Mn有2個(gè)價(jià)電子(其余大于或等于3個(gè)價(jià)電子的,均不予考慮),對(duì)于特定的基質(zhì)材料,假設(shè)摻雜Cr和Mn均能得到p型DMS材料,1個(gè)Cr原子參雜時(shí)可得到s個(gè)空穴,1個(gè)Mn原子參雜時(shí)可得到k個(gè)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(gè)計(jì)算結(jié)果與用平均場(chǎng)近似的海森堡模型計(jì)算的結(jié)果是相符合的。3元素?fù)诫s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?fù)诫s時(shí)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(shí)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?fù)诫s時(shí)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(shí)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(dá)式如下:F(y)可以看作關(guān)于自變量y的函數(shù),s、k看作參變數(shù)。不同元素?fù)诫s同種基質(zhì)材料形成的DMS材料,由于元素的價(jià)電子數(shù)不同,1個(gè)原子摻雜時(shí)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(duì)值,f(y)表示考慮反鐵磁性交換作用其居里溫度的相對(duì)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(duì)值與不考慮反鐵磁性交換作用居里溫度相對(duì)值之比。由此,F(y)的物理意義可描述為:低價(jià)元素?fù)诫s與高價(jià)元素?fù)诫s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(shí)的居里溫度的差別。根據(jù)式(10)可以得到即和式(11)說(shuō)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(jià)元素?fù)诫s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(shí),居里溫度高出g倍;考慮反鐵磁性交換作用時(shí),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(jià)元素與高價(jià)元素?fù)诫s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(shí)的相應(yīng)居里溫度的差別更為明顯。式(12)證明F(y)是關(guān)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(jià)元素?fù)诫s形成的DMS材料的居里溫度,與高價(jià)元素?fù)诫s形成的相應(yīng)溫度的差別,比不考慮反鐵磁性交換作用時(shí)居里溫度的差別更為明顯;且這個(gè)差別隨反鐵磁性交換作用相對(duì)強(qiáng)度y的增加而增加。4u30