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空位缺陷及Mg替位对纤锌矿(Ga,Mn)N电子结构和磁光性能的影响

徐大庆 李培咸 娄永乐 岳改丽 张超 张岩 刘宁庄 杨波

空位缺陷及Mg替位对纤锌矿(Ga,Mn)N电子结构和磁光性能的影响

徐大庆, 李培咸, 娄永乐, 岳改丽, 张超, 张岩, 刘宁庄, 杨波
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  • 采用自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,构建了未掺杂纤锌矿GaN超胞、三种不同有序占位Mn双掺GaN,(Mn,Mg)共掺杂GaN以及存在空位缺陷的Mn掺杂GaN超胞模型,分别对所有模型的能带结构、电子态密度、能量以及光学性质进行了计算.计算结果表明:与纯的GaN相比,Mn掺杂GaN体系的体积略有增大,掺杂体系居里温度能够达到室温以上;随着双掺杂Mn-Mn间距的增大,体系总能量和形成能升高、稳定性下降、掺杂越难;(Mn,Mg)共掺杂并不能有效增大掺杂体系磁矩,也不能达到提高掺杂体系居里温度的作用;Ga空位缺陷和N空位缺陷的存在不利于Mn掺杂GaN形成稳定的铁磁有序.此外,Mn离子的掺入在费米能级附近引入自旋极化杂质带,正是由于费米能级附近自旋极化杂质带中不同电子态间的跃迁,介电函数虚部在0.6868 eV附近、光吸收谱在1.25 eV附近分别出现了一个较强的新峰.
      通信作者: 徐大庆, xustxdq@163.com
    • 基金项目: 陕西省教育厅专项科研计划项目(批准号:11JK0912)、西安科技大学科研培育基金项目(批准号:2010011)、西安科技大学博士启动金项目(批准号:2010QDJ029)、国防预研究基金(批准号:9140A08040410DZ106)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:JY10000925005)资助的课题.
    [1]

    Lin Y T, Wadekar P V, Kao H S, Chen T H, Huang H C, Ho N J, Chen Q Y, Tu L W 2014 Appl. Phys. Lett. 104 062414

    [2]

    Kunert G, Dobkowska S, Li T, Reuther H, Kruse C, Figge S, Jakiela R, Bonanni A, Grenzer J, Stefanowicz W, Borany J von, Sawicki M, Dietl T, Hommel D 2012 Appl. Phys. Lett. 101 022413

    [3]

    Bihler C, Gerstmann U, Hoeb M, Graf T, Gjukic M, Schmidt W G, Stutzmann M, Brandt M S 2009 Phys. Rev. B 80 205205

    [4]

    Sonoda S, Shimizu S, Sasaki T, Yamamoto Y, Hori H 2002 J. Cryst. Growth 237–239 1358

    [5]

    Sasaki T, Sonoda S, Yamamoto Y, Suga K I, Shimizu S, Kindo K, Hidenobu H 2002 J. Appl. Phys. 91 7911

    [6]

    Cui X G, Tao Z K, Zhang R, Li X, Xiu X Q, Xie Z L, Gu S L, Han P, Shi Y, Zheng Y D 2008 Appl. Phys. Lett. 92 152116

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    Shi Y, Zhang Y X, Jiang C Z, Fu D J, Fan X J 2007 Physica B 388 82

    [9]

    Ploog K H, Dhar S, Trampert A 2003 J. Vac. Sci. Teehnol. B 21 1756

    [10]

    Zhang Z, Schwingenschlogl U, Roqan I S 2014 J. Appl. Phys. 116 183905

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    Wang Q J, Wang J B, Zhong X L, Tan Q H, Hu Z, Zhou Y C 2012 Appl. Phys. Lett. 100 132407

    [12]

    Roul B, Rajpalke M K, Bhat T N, Kumar M, Kalghatgi A T, Krupanidhi S B, Kumar N, Sundaresan A 2011 Appl. Phys. Lett. 99 162512

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    Peng H, Xiang H J, Wei S H, Li S S, Xia J B, Li J 2009 Phys. Rev. Lett. 102 017201

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    Xu B, Pan B C 2009 J. Appl. Phys. 105 103710

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    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

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    Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 256404

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    Akai H 1998 Phys. Rev. Lett. 81 3002

    [22]

    Dalpian G M, Wei S H, Gong, X G, Silva A J R D, Fazzio A 2006 Solid State Commun. 138 353

    [23]

    Anderson P W 1950 J. Appl. Phys. 79 350

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    Sato K, Bergqvist L, Kudrnovsky J, Dederichs P H, Eriksson O, Turek I, Sanyal B, Bouzerar G, Katayama-Yoshida H, Dinh V A, Fukushima T, Kizaki H, Zeller R 2010 Rev. Mod. Phys. 82 1633

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    Hou Q Y, Xu Z C, Wu Y, Zhao E J 2015 Acta Phys. Sin. 64 167201 (in Chinese) [侯清玉, 许镇潮, 乌云, 赵二俊2015物理学报64 167201]

    [27]

    Shen X C 1992 The Spectrum and Optical Property of Semiconductor ( Beijing: Science Press) p77(in Chinese) [沈学础2002半导体光谱和光学性质(北京: 科学出版社)第77页]

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    Shen J, Wei B, Zhou J, Shen S Z, Xue G J, Liu H X, Chen W 2015 Acta Phys. Sin. 64 217801 (in Chinese) [沈杰, 魏宾, 周静, Shen Shirley Zhiqi, 薛广杰, 刘韩星, 陈文2015物理学报64 217801]

    [29]

    Sun J, Wang H T, He J L, Tian Y J 2005 Phys. Rev. B 71 125132

  • [1]

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    [2]

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    Vanderbilt T D 1990 Phys. Rev. B 41 7892

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    Akai H 1998 Phys. Rev. Lett. 81 3002

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    Hou Q Y, Xu Z C, Wu Y, Zhao E J 2015 Acta Phys. Sin. 64 167201 (in Chinese) [侯清玉, 许镇潮, 乌云, 赵二俊2015物理学报64 167201]

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-29
  • 修回日期:  2016-07-18
  • 刊出日期:  2016-10-05

空位缺陷及Mg替位对纤锌矿(Ga,Mn)N电子结构和磁光性能的影响

  • 1. 西安科技大学电气与控制工程学院, 西安 710054;
  • 2. 西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院, 西安 710071;
  • 3. 西安电子科技大学微电子学院, 宽禁带半导体材料与器件重点实验室, 西安 710071
  • 通信作者: 徐大庆, xustxdq@163.com
    基金项目: 

    陕西省教育厅专项科研计划项目(批准号:11JK0912)、西安科技大学科研培育基金项目(批准号:2010011)、西安科技大学博士启动金项目(批准号:2010QDJ029)、国防预研究基金(批准号:9140A08040410DZ106)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:JY10000925005)资助的课题.

摘要: 采用自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,构建了未掺杂纤锌矿GaN超胞、三种不同有序占位Mn双掺GaN,(Mn,Mg)共掺杂GaN以及存在空位缺陷的Mn掺杂GaN超胞模型,分别对所有模型的能带结构、电子态密度、能量以及光学性质进行了计算.计算结果表明:与纯的GaN相比,Mn掺杂GaN体系的体积略有增大,掺杂体系居里温度能够达到室温以上;随着双掺杂Mn-Mn间距的增大,体系总能量和形成能升高、稳定性下降、掺杂越难;(Mn,Mg)共掺杂并不能有效增大掺杂体系磁矩,也不能达到提高掺杂体系居里温度的作用;Ga空位缺陷和N空位缺陷的存在不利于Mn掺杂GaN形成稳定的铁磁有序.此外,Mn离子的掺入在费米能级附近引入自旋极化杂质带,正是由于费米能级附近自旋极化杂质带中不同电子态间的跃迁,介电函数虚部在0.6868 eV附近、光吸收谱在1.25 eV附近分别出现了一个较强的新峰.

English Abstract

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