[论文解读] 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 605

一句话总结

该论文表明，当碳原子取代ZnO晶格中的氧原子时，碳共掺杂的ZnO表现出本征的室温铁磁性，理论与实验结果均显示每个碳原子的磁矩为1.78 μB。铁磁性源于碳与邻近锌原子之间的强成键耦合，使碳共掺杂ZnO成为一种极具前景的非金属共掺杂稀磁半导体，其居里温度超过400 K，适用于自旋电子学应用。

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.

研究动机与目标

• 研究通过非过渡金属掺杂在ZnO中实现室温铁磁性的可行性。
• 确定碳掺杂是否能在不形成二次相或团簇的情况下诱导ZnO中的本征铁磁性。
• 阐明碳共掺杂ZnO中铁磁性的机制，并通过第一性原理计算与实验验证其起源。
• 探索非金属共掺杂半导体作为过渡金属共掺杂稀磁半导体（DMS）的可行替代方案的潜力。

提出的方法

• 采用局域自旋密度近似（LSDA）和超软赝势的密度泛函理论（DFT）计算，模拟ZnO中的碳掺杂。
• 使用包含18个ZnO分子单元的周期性超胞以避免图像相互作用，平面波截断能为310 eV，k点网格为4×4×3。
• 分析了三种掺杂构型：碳间隙（C_I）、碳占据锌位（C_Zn）和碳占据氧位（C_O），并进行了总能和自旋极化态密度（LDOS）计算。
• 采用脉冲激光沉积（PLD）技术，通过不同碳浓度的靶材生长C共掺杂ZnO薄膜。
• 利用SQUID磁力计测量磁化强度和居里温度，表征磁性特性。
• 进行霍尔效应和磁阻测量，以确认n型导电性及本征铁磁性。

实验结果

研究问题

• RQ1 碳掺杂是否能在ZnO中产生室温本征铁磁性？
• RQ2 碳共掺杂ZnO中铁磁性的起源是什么？是否源于特定的缺陷构型？
• RQ3 每个碳原子的磁矩是否与理论预测一致？其随掺杂浓度的变化规律如何？
• RQ4 非金属掺杂（特别是碳）是否能实现无过渡金属相关相分离的功能性稀磁半导体？

主要发现

• 第一性原理计算预测，当碳取代ZnO中的氧时，每个碳原子的磁矩为1.78 μB，这是由于碳的p轨道与邻近锌原子的s轨道之间存在强杂化作用。
• 实验测得的磁矩范围为1.5至3.0 μB/碳原子，与理论预测的1.78 μB高度一致。
• C共掺杂ZnO薄膜的居里温度超过400 K，其中样品B的居里温度估计约为670 K，样品C约为850 K，表明具有强健的室温铁磁性。
• 铁磁性为本征性质，源于碳与锌原子之间的成键耦合，而非来自二次相或游离碳，XPS和SIMS结果证实石墨碳无贡献。
• 霍尔效应测量证实为n型导电性，异常霍尔效应的磁滞回线与磁性磁滞回线一致，为本征铁磁性提供了有力证据。
• 观察到高达0.5%的磁阻，且磁阻与测得的磁化强度成正比，进一步支持了本征铁磁有序的存在。