[論文レビュー] Carbon-doped ZnO: A New Class of Room Temperature Dilute Magnetic Semiconductor

Hong Pan, Jiabao Yi+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2006

ZnO doping and properties被引用数 605

ひとこと要約

本稿は、炭素が亜酸化亜亜鉛の格子内において酸素に置換される場合、炭素ドープZnOが内部的かつ室温で強磁性を示すことを示している。理論的および実験的証拠により、1炭素原子あたり1.78 μBの磁化モーメントが得られている。強磁性は、炭素と周囲の亜亜鉛原子との強い結合結合に起因し、Curie温度が400 Kを超える非金属ドープ希薄磁性半導体として、スピントロニクス応用に有望である。

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.

研究の動機と目的

• 非遷移金属ドーピングを用いたZnOにおける室温強磁性の実現可能性を調査すること。
• 炭素ドーピングが二次相やクラスターを形成せずにZnOに内部的強磁性を誘発できるかどうかを特定すること。
• 炭素ドープZnOにおける強磁性のメカニズムを確立し、第一原理計算と実験的検証によりその起源を検証すること。
• 遷移金属ドープ希薄磁性半導体（DMS）の代替として、非金属ドープ半導体の実用的潜在能力を検討すること。

提案手法

• 局所スピン密度近似（LSDA）と超ソフト擬ポテンシャルを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、ZnOにおける炭素ドーピングをモデル化した。
• 画像相互作用を避けるために、ウルツァイト構造のZnOを18式単位で周期的スーパーセルとして使用し、平面波カットオフエネルギーを310 eV、kポイントグリッドを4×4×3とした。
• 3つのドーピング配置を分析した：炭素の格子間配置（C_I）、亜亜鉛サイトへの炭素配置（C_Zn）、酸素サイトへの炭素配置（C_O）、全エネルギーおよびスピン極化密度状態（LDOS）の計算を実施した。
• パルスレーザー蒸着（PLD）を用いて、標的に異なる炭素含有量を有するCドープZnO膜を成長させた。
• SQUID磁化計測定を用いて磁化およびCurie温度を測定し、磁気的性質を特徴づけた。
• ホール効果および磁気抵抗測定を実施し、n型導電性および内部的強磁性の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZnOにおける炭素ドーピングは、室温で内部的強磁性を生じさせることができるか？
• RQ2 炭素ドープZnOにおける強磁性の起源は何か？特定の欠陥配置に起因するのか？
• RQ3 1炭素原子あたりの磁化モーメントは理論的予測と整合的か？ドーピング濃度に応じてどのように変化するか？
• RQ4 非金属ドーピング（特に炭素）は、遷移金属由来の相分離を伴わずに機能的な希薄磁性半導体を生成できるか？

主な発見

• 第一原理計算により、炭素がZnOの酸素サイトに置換される場合、炭素のp軌道と周囲の亜亜鉛のs軌道との強い混合に起因し、1炭素原子あたり1.78 μBの磁化モーメントが予測された。
• 実験的に測定された磁化モーメントは1炭素原子あたり1.5～3.0 μBであり、理論的予測値1.78 μBと良好に一致した。
• CドープZnO膜のCurie温度は400 Kを超えており、サンプルBでは約670 K、サンプルCでは約850 Kと推定され、強固な室温強磁性を示した。
• 強磁性は内部的であり、炭素と亜亜鉛原子間の結合結合に起因するもので、二次相や遊離炭素に起因するものではない。XPSおよびSIMSの結果により、グラファイト炭素からの寄与は確認されなかった。
• ホール効果測定によりn型導電性が確認され、異常ホール効果のヒステリシスが磁気ヒステリシと一致した。これは内部的強磁性の強力な証拠となった。
• 最大0.5%の磁気抵抗が観測され、MRは測定された磁化に比例した。これは内部的強磁性秩序の存在をさらに裏付けた。