C摻雜ZnO稀磁半導體的磁特性研究

翁臻臻

(福州大學物理與信息工程學院， 福建 福州 350116)

C摻雜ZnO稀磁半導體的磁特性研究

翁臻臻

(福州大學物理與信息工程學院， 福建 福州 350116)

利用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算方法， 研究C摻雜ZnO稀磁半導體的磁性質. 發現ZnO ∶C體系的磁性來源于C-p和Zn-d軌道之間的雜化， 鐵磁性產生的機制是以巡游電子為媒介的鐵磁交換作用. 富O環境下制備ZnO ∶C樣品能夠更好地在室溫下得到穩定的鐵磁有序.

氧化鋅； 稀磁半導體； 第一性原理； 磁特性

0 引言

自從Dietl[1]和Ueda[2]等預測了ZnO基稀磁半導體(DMS)在室溫下具有穩定的鐵磁性， 有關利用各種磁性過渡金屬原子摻雜ZnO以獲得稀磁半導體的研究報道層出不窮. 實際上， 已經有許多工作小組在Mn[3-4], Co[5-7], Ni[8-9]摻雜ZnO體系中成功地觀察到了室溫鐵磁性. 但是其磁性的起源卻一直是各研究小組爭議的熱點. 從實驗的觀點來看， 實驗中有可能會產生過渡金屬單質團簇或者氧化物第二相， 而大部分過渡金屬及其氧化物本身已具有鐵磁性， 從而會使研究工作者將其誤解為是DMS材料的磁性來源. 為了避免這一問題， 越來越多的研究者傾向于考慮采用非磁性原子進行摻雜來研究DMS材料的磁性. 已有一些實驗測量得到在ZnO體系中摻雜一定濃度的C原子， 其居里溫度可超過300 K[10-12]. 并且理論研究表明C摻雜ZnO構建DMS材料得到的穩定鐵磁性是由于C替代O導致形成的[10,13], 但是其磁性產生的機制存在分歧. 其中, Pan等[10]報道在C摻雜ZnO薄膜中鐵磁耦合機制產生的原因是O-2p和C-2p之……