[논문 리뷰] Ferromagnetism in 2p Light Element-Doped II-oxide and III-nitride Semiconductors

Lihua Shen, R. Q. Wu외 5명|arXiv (Cornell University)|2007. 09. 13.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 225

한 줄 요약

이 논문은 2p 광물 도핑된 이이산화물 및 삼질화물 반도체—특히 질소 도핑된 ZnO, 탄소 도핑된 ZnO, 탄소 도핑된 AlN—이 3d 전이 금속 이오닉의 DMS에서 관찰되는 자성 클러스터링을 피하기 위해, 도핑된 이온과 가 valence p-오비탈 간의 p–p 결합 상호작용에 의해 내재된 자성을 나타낸다고 제안한다. 일차 원리 계산은 자성 모멘트가 이온 p-오비탈에 국소화된 자성 기저 상태를 확인하였으며, Be를 공도핑함으로써 이온화 에너지를 낮추고 p–p 결합을 강화함으로써 도핑 용해도를 향상시키고 자성의 안정성을 높인다.

ABSTRACT

II-oxide and III-nitride semiconductors doped by nonmagnetic 2p light elements are investigated as potential dilute magnetic semiconductors (DMS). Based on our first-principle calculations, nitrogen doped ZnO, carbon doped ZnO, and carbon doped AlN are predicted to be ferromagnetic. The ferromagnetism of such DMS materials can be attributed to a p-d exchange-like p-p coupling interaction which is derived from the similar symmetry and wave function between the impurity (p-like t_2) and valence (p) states. We also propose a co-doping mechanism, using beryllium and nitrogen as dopants in ZnO, to enhance the ferromagnetic coupling and to increase the solubility and activity.

연구 동기 및 목표

• 3d 전이 금속 도핑된 DMS에서 관찰되는 자성 클러스터링을 피하기 위해, 비자성 2p 경량 원소(N, C)로 도핑된 이이산화물 및 삼질화물에서 희석 자성 반도체(DMS)를 실현할 수 있는지를 조사하기 위해.
• d-오비탈이 없는 상황에서 이러한 이온 도핑 시스템에서 자성의 기원을 규명하기 위해.
• ZnO에서 Be와 N을 공도핑하여 자성 결합, 용해도, 실현 가능성 및 실현 가능성 향상을 위한 전략을 제안하기 위해.
• 자기 불순물이 없는 새로운 안정적이고 고도로 스핀 분류된 DMS 재료 설계를 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• GGA-PBE 함수와 프rojector Augmented Wave (PAW) 방법을 사용한 VASP 코드를 이용한 일차 원리 밀도-functional 이론(DFT) 계산.
• ZnO와 AlN의 108원자 초세포에서 단일 이온 치환(산소에 대한 질소, 산소/질소에 대한 탄소)에 대한 총 에너지 및 밴드 구조 계산.
• Fermi 수준 근처의 스핀 분류 상태와 p–p 혼성화를 식별하기 위해 상태 밀도(DOS) 및 부분 DOS 분석.
• 특히 ZnO에서 Be+2N 복합 결함을 조사하여 공도핑 효과가 용해도와 자성 안정성에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 자성 기저 상태 안정성을 결정하기 위해 자성(FM)과 반자성(AFM) 상태 간의 총 에너지 비교.
• 공도핑 시스템에서의 실현 가능성 및 p–p 결합 강화 정도를 평가하기 위해 이온화 에너지 및 수용체 수준 이동 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2p 경량 원소 도핑된 이이산화물 및 삼질화물이 3d 전이 금속 이온 없이 내재된 자성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 d-오비탈이 없는 상황에서 이러한 이온 도핑 반도체에서 자성의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 Be 공도핑이 질소 도핑된 ZnO의 용해도, 이온화 에너지, 자성 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 도핑된 이온의 p-오비탈과 가 valence p-오비탈 간의 p–p 결합이 이 시스템에서 장거리 자성 순서를 얼마나 효과적으로 매개하는가?
• RQ5 p–p 교환 상호작용 강화를 통해 공도핑으로 Curie 전이 온도를 높일 수 있는가?

주요 결과

• 질소 도핑된 ZnO(ZnO:N)는 N 도핑제 당 총 자성 모멘트 1.0 μB를 가지며, 주로 질소 이온의 p-오비탈에 국소화된 자성 기저 상태를 나타낸다.
• ZnO:N의 자성은 d–d 교환 메커니즘으로 설명될 수 없으며, 도핑된 p-오비탈과 가 valence p-밴드 간의 p–p 결합 상호작용에 의해 발생하며, 스핀 분류된 실현 가능성에 의해 매개된다.
• 탄소 도핑된 ZnO와 탄소 도핑된 AlN도 자성으로 예측되며, 이는 이 메커니즘이 이이산화물 및 삼질화물 기반 재료로 일반화될 수 있음을 시사한다.
• ZnO:N에서 Be 공도핑은 자성 상태를 안정화시키며, 이온화 에너지를 0.4 eV에서 0.2 eV로 낮추고 FM–AFM 에너지 차이를 7 meV에서 54 meV로 증가시킨다.
• Be 공도핑된 ZnO:N에서 향상된 p–p 결합은 실현 가능성 농도를 증가시키고 장거리 자성 결합을 강화시키며, ZnO:N 단독보다 더 높은 Curie 전이 온도를 가질 가능성이 있음을 시사한다.
• 이 시스템에서 자성 모멘트는 주로 이온 p-오비탈(C, N 또는 O)에 집중되어 있으며, 이는 d-오비탈 자성 기반의 전통적 DMS 모델에 도전한다.