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不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究

徐大庆 赵子涵 李培咸 王超 张岩 刘树林 童军

不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究

徐大庆, 赵子涵, 李培咸, 王超, 张岩, 刘树林, 童军
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  • 采用密度泛函理论体系下的广义梯度近似GGA+U平面波超软赝势方法,在构建了纤锌矿结构的InN超胞及三种不同有序占位Mn2+,Mn3+价态分别掺杂InN超胞模型,并进行几何优化的基础上,计算了掺杂前后体系的电子结构、能量以及光学性质.计算结果表明:Mn掺杂后体系总能量和形成能降低,稳定性增加,并在费米能级附近引入自旋极化杂质带,体系具有明显的自旋极化现象.掺杂不同价态的Mn元素对体系电子结构和磁学性质产生了不同的影响.电子结构和磁性分析表明掺杂体系的磁性来源于p-d交换机制和双交换机制的共同作用,Mn3+价态掺杂有利于掺杂体系的居里温度达到室温以上.与未掺杂InN相比,不同价态Mn元素掺杂后体系的静态介电函数显著增大,掺杂体系介电函数虚部和吸收光谱在低能区域出现了较强的新峰,分析认为这些新峰主要来自与费米能级附近自旋极化杂质带相关的跃迁.
      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(批准号:11JK0912)、西安科技大学科研培育基金(批准号:201611)和国家重点研发计划(批准号:2016YFB0400802)资助的课题.
    [1]

    Dietl T, Ohno H 2014 Rev. Mod. Phys. 86 187

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    Roul B, Kumar M, Bhat T N, Rajpalke M K, Krupanidhi S B, Kumar N, Sundaresan A 2014 J. Nanosci. Nanotechnol. 4 1

    [3]

    Meng X Q, Chen Z H, Chen Z, Wu F M, Li S S, Li J B, Wu J Q, Wei S H 2013 Appl. Phys. Lett. 103 253102

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    Ren M, Li M, Zhang C, Yuan M, Li P, Li F, Ji W, Liu X 2015 Physica E 67 1

    [5]

    Caliskan S, Hazar F 2015 Superlattices Microstruct. 84 170

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    Fan S W, Huang X N, Yao K L 2017 J. Appl. Phys. 121 073905

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    Chang P H, Chen H C, Lin J W, Lai M X, Hung S Y, Lee M J 2016 Thin Solid Films 618 184

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    Alsaad A, Qattan I A 2014 Physica B 432 77

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    Chen P P, Makino H, Yao T 2004 Physica E 21 983

    [11]

    Wolos A, Palczewska M, Zajac M, Gosk J, Kaminska M, Twardowski A, Bockowski M, Grzegory I, Porowski S 2004 Phys. Rev. B 69 115210

    [12]

    Graf T, Gjukic M, Hermann M, Brandt M S, Stutzmann M 2003 Phys. Rev. B 67 165215

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    Graf T, Gjukic M, Hermann M, Brandt M S, Stutzmann M, Grgens L, Philipp J B, Ambacher O 2003 J. Appl. Phys. 93 9697

    [14]

    Dalpian G M, Wei S H 2005 J. Appl. Phys. 98 1019

    [15]

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    Zubrilov A 2001 Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe (New York:John Wiley Sons, Inc) pp49-66

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

    [20]

    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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    Monemar B, Paskova P P, Kasic A 2005 Superlattices Microsturct. 38 38

    [23]

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

    [29]

    Sahin S, Ciftci Y O, Colakoglu K, Korozlu N 2012 J. Alloys Compd. 529 1

    [30]

    Graf T, Gjukic M, Brandt M S, Stutzmann M, Ambacher O 2002 Appl. Phys. Lett. 81 5159

    [31]

    Titov A, Biquard X, Halley D, Kuroda S, Bellet-Amalric E, Mariette H, Cibert J, Merad A E, Merad G, Kanoun M B, Kulatov E, Uspenskii Y A 2005 Phys. Rev. B 72 115209

  • [1]

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

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    Monemar B, Paskova P P, Kasic A 2005 Superlattices Microsturct. 38 38

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    Sato K, Katayama-Yoshida H 2012 J. Non-Cryst. Solids 358 2377

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    Xu D Q, Li P X, Zhang Y M, Lou Y L, Li Y C 2016 Thin Solid Films 616 573

    [27]

    Gopal P, Spaldin N A 2006 Phys. Rev. B 74 094418

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

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    Titov A, Biquard X, Halley D, Kuroda S, Bellet-Amalric E, Mariette H, Cibert J, Merad A E, Merad G, Kanoun M B, Kulatov E, Uspenskii Y A 2005 Phys. Rev. B 72 115209

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-22
  • 修回日期:  2018-01-19
  • 刊出日期:  2019-04-20

不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究

  • 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. 西安微电子技术研究所, 西安 710015
  • 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(批准号:11JK0912)、西安科技大学科研培育基金(批准号:201611)和国家重点研发计划(批准号:2016YFB0400802)资助的课题.

摘要: 采用密度泛函理论体系下的广义梯度近似GGA+U平面波超软赝势方法,在构建了纤锌矿结构的InN超胞及三种不同有序占位Mn2+,Mn3+价态分别掺杂InN超胞模型,并进行几何优化的基础上,计算了掺杂前后体系的电子结构、能量以及光学性质.计算结果表明:Mn掺杂后体系总能量和形成能降低,稳定性增加,并在费米能级附近引入自旋极化杂质带,体系具有明显的自旋极化现象.掺杂不同价态的Mn元素对体系电子结构和磁学性质产生了不同的影响.电子结构和磁性分析表明掺杂体系的磁性来源于p-d交换机制和双交换机制的共同作用,Mn3+价态掺杂有利于掺杂体系的居里温度达到室温以上.与未掺杂InN相比,不同价态Mn元素掺杂后体系的静态介电函数显著增大,掺杂体系介电函数虚部和吸收光谱在低能区域出现了较强的新峰,分析认为这些新峰主要来自与费米能级附近自旋极化杂质带相关的跃迁.

English Abstract

参考文献 (31)

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