[论文解读] Unraveling the nature of carrier mediated ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors

G. Bouzerar, Richard Bouzerar|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2015

ZnO doping and properties参考文献 40被引用 10

一句话总结

该论文提出一个基于过渡金属受主能级位置的最小模型，定量统一理解稀磁半导体（DMS）中载流子介导的铁磁性。通过调节这一关键参数，该模型解释了II-VI族DMS如(Zn,Mn)Te中的RKKY型耦合，以及III-V族DMS如(Ga,Mn)N中的双交换型行为，同时在多种材料中定量再现了居里温度和自旋刚度，其中(Ga,Mn)As因受主能级位置最优而表现出最高的T_C。

ABSTRACT

After more than a decade of intensive research in the field of diluted magnetic semiconductors (DMS), the nature and origin of ferromagnetism, especially in III-V compounds is still controversial. Many questions and open issues are under intensive debates. Why after so many years of investigations Mn doped GaAs remains the candidate with the highest Curie temperature among the broad family of III-V materials doped with transition metal (TM) impurities ? How can one understand that these temperatures are almost two orders of magnitude larger than that of hole doped (Zn,Mn)Te or (Cd,Mn)Se? Is there any intrinsic limitation or is there any hope to reach in the dilute regime room temperature ferromagnetism? How can one explain the proximity of (Ga,Mn)As to the metal-insulator transition and the change from Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) couplings in II-VI compounds to double exchange type in (Ga,Mn)N? In spite of the great success of density functional theory based studies to provide accurately the critical temperatures in various compounds, till very lately a theory that provides a coherent picture and understanding of the underlying physics was still missing. Recently, within a minimal model it has been possible to show that among the physical parameters, the key one is the position of the TM acceptor level. By tuning the value of that parameter, one is able to explain quantitatively both magnetic and transport properties in a broad family of DMS. We will see that this minimal model explains in particular the RKKY nature of the exchange in (Zn,Mn)Te/(Cd,Mn)Te and the double exchange type in (Ga,Mn)N and simultaneously the reason why (Ga,Mn)As exhibits the highest critical temperature among both II-VI and III-V DMS.

研究动机与目标

• 为长期存在的稀磁半导体（DMS）中铁磁性的起源，特别是III-V族化合物中的铁磁性，提供解释。
• 识别控制广泛DMS材料体系中磁性和输运性质的关键物理参数。
• 通过提供统一且定量的理论框架，弥合第一性原理DFT计算与基于模型的理论之间的差距。
• 解释为何(Ga,Mn)As在所有III-V和II-VI族DMS中表现出最高的居里温度，尽管此前缺乏一致的理论图像。

提出的方法

• 采用最小的V-J哈密顿量，包含p-d交换、无序和能带结构效应的基本物理机制。
• 将过渡金属受主能级相对于价带顶的位置作为核心可调参数。
• 模型使用虚拟晶体近似（VCA）来考虑稀释效应和无序平均。
• 利用从头算计算（LSDA/GGA）确定磁耦合和受主能级位置作为输入。
• 计算动力学谱函数A(q,ω)以探测低能自旋激发，并与非弹性中子散射数据进行比较。
• 计算自旋刚度D(x)随Mn浓度x的变化，并与实验测量结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何Mn掺杂的GaAs在所有III-V和II-VI族DMS中表现出最高的居里温度，尽管理论预期并非如此？
• RQ2 控制DMS中从RKKY型到双交换型磁耦合转变的关键物理参数是什么？
• RQ3 如何通过单一理论模型定量描述多种DMS材料中磁性和输运性质？
• RQ4 为何(Ga,Mn)As接近金属-绝缘体转变，这与其高T_C有何关联？
• RQ5 受主能级位置能否解释(Ga,Mn)As中价带图像与杂质能带图像之间的矛盾？

主要发现

• 过渡金属受主能级相对于价带顶的位置是控制DMS中铁磁行为的主导参数。
• 最小的V-J模型在(Ga,Mn)As、(Zn,Mn)Te和(Ga,Mn)N中定量再现了居里温度，与实验数据在不确定度范围内一致。
• 对于3%和5% Mn掺杂的GaAs，理论自旋刚度（120±30和130±30 meV·Å²）与实验值（90±20 meV·Å²）吻合良好。
• 该模型在单一框架内解释了(Zn,Mn)Te中的RKKY型耦合和(Ga,Mn)N中的双交换型行为。
• (Ga,Mn)As接近金属-绝缘体转变的现象，可通过共振杂质能带形成和最优受主能级位置来解释。
• 该模型为通过无序工程或纳米结构设计寻找室温铁磁性的新途径提供了预测工具。