稀磁半導體ZnS摻雜Mn薄膜的研究.pdf

1、采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，本文系統(tǒng)研究了過渡金屬Mn原子摻雜的半導體ZnS(110)和(111)表面的電子結構和磁性性質。由于Mn原子之間存在磁致耦合的情況，我們分別計算了單個Mn原子和兩個Mn原子的摻雜組態(tài)。選取的摻雜模型均為替位式摻雜，即Mn原子取代ZnS表面不同位置的Zn原子。計算并分析了各摻雜組態(tài)的幾何結構參數(shù)、摻雜形成能、體系總磁矩和Mn原子的局域磁矩、電荷密度、總態(tài)密度以及Mn原子3d軌道，Zn原子的3d軌道和最

2、近鄰S原子3p軌道的分波態(tài)密度。結果表明：
　　(1)ZnS(110)表面，當單個原子摻雜時，Mn原子替位于表面第二層的Zn原子時，體系形成能最低，表明該層是最穩(wěn)定的摻雜位置。此時摻雜引入的總磁矩近似等于5μB。當兩個Mn原子摻雜時，Mn與Mn之間呈反鐵磁耦合作用時，體系最穩(wěn)定，且Mn原子幾何配位的變化對體系總磁矩影響很小。
　　(2)對于ZnS(111)表面，當單個原子摻雜時，Mn原子替位于表面第一層的Zn原子時，體系形成

3、能最低，表明該層是最穩(wěn)定的摻雜位置。此外，體系總磁矩的大小隨Mn原子摻雜的位置不同而不同。當兩個Mn原子摻雜時，Mn與Mn之間呈短程鐵磁耦合作用時，體系形成能最低。這種耦合作用是由Mn原子，Zn原子與最近鄰S原子之間的雜化作用引起的。此時體系的居里溫度達到469K，超過了室溫，表明Mn摻雜ZnS(111)表面的材料可以用來制作稀磁半導體，即是自旋電子器件的候選物。
　　無論是(110)還是(111)表面，Mn原子的摻雜，引入的鍵長