[논문 리뷰] Carbon-doped ZnO: A New Class of Room Temperature Dilute Magnetic Semiconductor

Hong Pan, Jiabao Yi외 5명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 31.

ZnO doping and properties인용 수 605

한 줄 요약

이 논문은 탄소가 ZnO 격자 내 산소를 치환할 때 탄소 도핑된 ZnO가 실온에서 내재된 실온 페로자성을 나타냄을 보여주며, 이론적 및 실험적 증거로 탄소 원자당 자화 모멘트 1.78 μB가 확인된다. 페로자성은 탄소와 인접한 zinc 원자 간 강한 결합 결합으로 인해 발생하며, 이로 인해 탄소 도핑된 ZnO는 Curie 온도가 400 K 이상인 비금속 도핑된 희석자성 반도체로서 스핀트로닉스 응용 분야에서 유망한 후보가 된다.

ABSTRACT

We report magnetism in carbon doped ZnO. Our first-principles calculations based on density functional theory predicted that carbon substitution for oxygen in ZnO results in a magnetic moment of 1.78 $μ_B$ per carbon. The theoretical prediction was confirmed experimentally. C-doped ZnO films deposited by pulsed laser deposition with various carbon concentrations showed ferromagnetism with Curie temperatures higher than 400 K, and the measured magnetic moment based on the content of carbide in the films ($1.5 - 3.0 μ_B$ per carbon) is in agreement with the theoretical prediction. The magnetism is due to bonding coupling between Zn ions and doped C atoms. Results of magneto-resistance and abnormal Hall effect show that the doped films are $n$-type semiconductors with intrinsic ferromagnetism. The carbon doped ZnO could be a promising room temperature dilute magnetic semiconductor (DMS) and our work demonstrates possiblity of produing DMS with non-metal doping.

연구 동기 및 목표

• 비전이 금속 도핑을 통해 ZnO에서 실온 페로자성을 달성할 수 있는지의 가능성을 조사하기 위해.
• 탄소 도핑이 2차 상이나 클러스터를 형성하지 않고도 ZnO에서 내재된 페로자성을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 탄소 도핑된 ZnO에서 페로자성의 기작을 규명하고, 제1원리 계산 및 실험적 검증을 통해 그 기원을 확인하기 위해.
• 전이 금속 도핑된 희석자성 반도체(DMS)의 대안으로서 비금속 도핑된 반도체의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 탄소 도핑을 모델링하기 위해 국부 스핀 밀도 근사(LSDA)와 초연성 허위파손을 사용한 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 이미지 상호작용을 방지하기 위해 18개의 화학식 단위를 포함하는 유타이트라이트 ZnO의 주기적 초세포를 사용하였으며, 평면파 截거는 310 eV, k-점 그리드는 4×4×3을 사용하였다.
• 세 가지 도핑 구조를 분석하였으며, 각각 탄소의 격자 내 이물질(C_I), 아연 자리에 있는 탄소(C_Zn), 산소 자리에 있는 탄소(C_O)로, 총 에너지 및 스핀 분포 밀도 상태(LDOS) 계산을 수행하였다.
• 탄소 농도가 다른 타겟에서 펄스 레이저 증착(PLD)을 사용하여 C 도핑된 ZnO 박막을 성장시켰다.
• 자기적 성질은 SQUID 자화도 측정기를 사용하여 자화 및 Curie 온도를 측정함으로써 특성화되었다.
• 홀 효과 및 자기저항 측정을 수행하여 n형 도핑 성질과 내재된 페로자성의 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZnO에서 탄소 도핑이 실온에서 내재된 페로자성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 탄소 도핑된 ZnO에서 페로자성의 기원은 무엇이며, 특정 결함 구조에 기인하는가?
• RQ3 탄소 원자당 자화 모멘트는 이론적 예측과 일치하는가? 농도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비금속 도핑(특히 탄소)이 전이 금속 기반 상 분리 없이 功能성 희석자성 반도체를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 제1원리 계산에 따르면, 탄소가 ZnO에서 산소를 치환할 경우 탄소 원자당 자화 모멘트 1.78 μB가 예측되며, 이는 탄소의 p 오비탈과 인접한 아연의 s 오비탈 간 강한 하이브리드화로 인한 것이다.
• 실험적으로 측정된 자화 모멘트는 탄소 원자당 1.5에서 3.0 μB 사이로, 이론적 예측값 1.78 μB와 뛰어난 일치를 보였다.
• C 도핑된 ZnO 박막의 Curie 온도는 400 K를 초과하였으며, 샘플 B는 약 670 K, 샘플 C는 약 850 K로 추정되어 강력한 실온 페로자성의 존재를 시사하였다.
• 페로자성은 내재적이며 탄소와 아연 원자 간의 결합 결합에 기인하며, 2차 상이나 자유 탄소 기인하지 않으며, XPS 및 SIMS 측정으로 인해 그래파이트 탄소 기여가 없음을 확인하였다.
• 홀 효과 측정으로 n형 도핑 성질이 확인되었고, 비정상적인 홀 효과 히스테리시스는 자성 히스테리시스와 일치하여 내재된 페로자성의 강력한 증거가 되었다.
• 최대 0.5%의 자기저항이 관찰되었으며, MR는 측정된 자화에 비례하여 증가하여 내재된 페로자성 순서의 존재를 추가로 뒷받침하였다.