[論文レビュー] Intrinsic Ferromagnetism in Eu doped ZnO

M. Hussein N. Assadi, Y. B. Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2010

ZnO doping and properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、外部ドーピングや欠陥を介さずに、EuドープZnOにおける常温での強磁性を実証し、その現象がEuイオンそのものではなく、ZnO格子内の内在的点欠陥に起因するとする。第一原理計算により、Euイオン単体では反強磁性的配列を示すが、ZnOの点欠陥（例えばバナジウム欠陥など）が強磁性的結合を媒介することを明らかにした。これにより、希土類元素ドープ半導体系における内在的強磁性のメカニズムが確立された。

ABSTRACT

We report room temperature ferromagnetism in as-implanted Eu doped ZnO (ZnO:Eu). To address the origin of ferromagnetism ab initio calculations of ZnO:Eu system are performed. Results show that the ferromagnetism is induced by ZnO point defects as Eu ions in perfect ZnO tend to align antiferromagnetically.

研究の動機と目的

• イオン注入したままのEuドープZnOにおける常温強磁性の起源を調査すること。
• 観察された強磁性的挙動の原因がEuイオンかZnO格子欠陥かを特定すること。
• 強磁性が内在的性質であるのか、二次相や不純物によるものかを明確にすること。
• 第一原理計算を用いてZnO:Euにおける磁気的秩序の理論的基盤を確立すること。

提案手法

• ZnO:Eu系の電子的および磁気的性質をモデル化するため、ab initio密度汎関数理論（DFT）計算を実施する。
• 完全なZnO格子内のEuイオン間の磁気的結合を分析し、内在的磁気的配列を評価する。
• Zn欠陥などの点欠陥をZnO:Eu系に導入し、それらが強磁性的相互作用を媒介する役割を評価する。
• 欠陥なしと欠陥ありのZnO:Eu構造の磁気的基底状態を比較し、強磁性の原因を特定する。
• スピン極化計算を用いて、強磁性的状態と反強磁性的状態の安定性および性質を決定する。
• Eu 4f状態とO 2p状態の間の電荷移動および混合効果が磁気的秩序に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン注入したままのEuドープZnOにおける常温強磁性の原因は何か。それは系の内在的性質であるか。
• RQ2 Euイオン単体がZnOに強磁性的配列を誘導するのか、それとも格子欠陥によってその磁気的挙動が変化するのか。
• RQ3 ZnOの点欠陥（例えばZn欠陥）が、EuドープZnOにおける強磁性的結合を媒介できるか。
• RQ4 観察された強磁性は、二次相や外部不純物によるものか、それともドープZnOの体積的性質か。
• RQ5 欠陥の導入に伴い、ZnO:Euの電子構造はどのように変化するか。その影響は磁気的秩序にどのようなものか。

主な発見

• 完全なZnO格子内におけるEuイオンは反強磁性的配列を示すため、Eu単体では強磁性が誘導されない。
• 特にZn欠陥を含むZnOの点欠陥が、Euイオン間の強磁性的結合を可能にする。
• 第一原理計算により、欠陥が存在する場合、強磁性状態がエネルギー的に有利であることが確認された。一方、欠陥なし系では反強磁性的である。
• 観察された常温強磁性は、Euイオンそのものではなく、ZnO格子欠陥が磁気的結合を媒介することに起因する。
• 理論的モデリングにより、強磁性は二次相や不純物によるものではなく、ZnO:Eu系の内在的性質であることが確認された。
• 本結果は、ZnO:Euにおける欠陥工学を活用することで、常温での強磁性的秩序を安定化させられることを示唆している。