Mn掺杂GaAs体系的第一性原理研究

文黎巍，叶金琴

(河南工程学院 理学院，河南 郑州451191)

稀磁半导体(DMS)是指利用3d族过渡金属或者4f族稀土金属的磁性离子取代Ⅱ-VI族、Ⅲ-Ⅴ族等半导体中的部分带正电的离子而形成的新型半导体材料，如Zn1-xMnxSe，Sn1-xMnxTe，Zn1-xMnxO等.稀磁半导体因兼有半导体与铁磁的共同特性使其在电子器件和磁性方面有着很广泛的应用［1-2］.因此，稀磁半导体已成为近年来研究的热点［3-7］.GaAs是一种重要的半导体材料，禁带宽度(能隙)1.4 eV，与太阳光谱匹配好，具有熔点较高(1 238℃)、耐高温等特性，在电池、半绝缘高阻材料、集成电路衬底及探测器等方面有着广泛应用.Mn掺杂的(Ga，Mn)As既具有Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体GaAs的特性，又具备铁磁化合物的特点并与Ⅲ-Ⅴ族异质结器件制备技术有很好的兼容性，所以最近涌现了对于(Ga，Mn)As稀磁导体研究的热潮［8-10］.人们对Mn掺杂GaAs稀磁半导体材料的制备、结构和磁性做了大量实验研究［11-19］，然而有关Ga1-xMnxAs的理论研究相对较少.本课题采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了Mn掺杂GaAs稀磁半导体的稳定磁结构及电子结构，发现Mn掺杂GaAs体系的确具有磁性，解释了导致其具有稀磁半导体特性的原因.

1 结构模型和计算方法

1.1 结构模型

GaAs的晶体结构见图1，这个化合物的空间群是F-43M(No.216).实验上的晶格常数是a=b=c=5.653 3A。，每个晶胞模型中含有4个Ga原子和4个As原子.为了构造在实验上已观察到的Mn掺杂浓度为0.005～0.08的掺杂体系Ga1-xMnxAs，基于GaAs构造了2×2×2的超晶胞，见图2.

图1 GaAs的晶体结构Fig.1 Crystal structure of GaAs

图2 Ga1-x M n x As的晶体结构(x=0.625)Fig.2 Crystal structure of Ga1-x M n x As(x=0.625)

其中，两个Ga原子被Mn原子取代，得到掺杂浓度为2/32，相当于实际取的Mn掺杂浓度为6.25%.将图2中的上下面和左右面的Mn原子分别取相同的磁序取向与相反的磁序取向，在不考虑其磁性的情况下得到了Ga1-xMnxAs(x=0.625)的铁磁(FM)、反铁磁(AFM)与顺磁(NM)3种不同的磁构型.

1.2 计算方法

关于Ga1-xMnxAs(x=0，0.625)体系的电子结构域磁性特征的计算采用的是VASP计算模拟程序包［20］，电子间的交换关联势选用的是基于投影缀加平面波的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)势.Ga1-xMnxAs体系中Ga，Mn，As的价电子分别取4s24p1，3d64s1和4s24p3.整个计算中，平面波截断能取350 eV.K点采用Monkhorst方法自动取得，计算中的K点分别取11×11×11，5×5×5的Monkhorst-Pack网格来优化图1和图2中的晶胞和超晶胞模型，当总能量差小于10-5eV时自洽循环计算停止，而对于电子结构特性相应的计算Monkhorst-Pack网格取优化时的两倍.

2 结果与讨论

2.1 GaAs的电子结构

计算研究了无掺杂的GaAs晶体的电子结构，包括总体的态密度和各元素的分态密度，见图3.从图3可以看出，纯净的GaAs晶体总的态密度图特点.计算结果表明，由于纯净的GaAs是无磁性的，其电子结构中自旋向上和自旋向下是对称的，故可以不研究磁性，只画出其自旋向上的态密度.GaAs总的态密度显示出半导体特性，带隙约为1.0 eV，分波态密度可以显示Ga与As的态密度峰值几乎完全对应，表明Ga和As之间的轨道杂化明显，主要体现共价键特征.在-5～-2.5 eV，As的态密度与Ga的态密度基本相同;在-2.5～0 eV，As的态密度大于Ga的态密度，表明As的电子数目要比Ga多;在0～5 eV，Ga的态密度大于As的态密度，说明Ga的未占据态较多.

图3 GaAs的电子结构Fig.3 Electronic structure of GaAs

2.2 M n掺杂GaAs的结构

针对图2中掺杂的Mn原子分别取相同磁序取向、相反磁序取向及不考虑其磁性情况，得到Ga1-xMnxAs(x=0.625)的铁磁(FM)、反铁磁(AFM)和顺磁(NM)3种不同的构型并进行了结构优化.基于优化后的结果计算了3种构型下的能量，表1给出了Ga1-xMnxAs(x=0.625)体系在不同磁构型下的能量.

由于物质本身能量越低、键能越大，破坏这种物质所需要的能量就越多，也就是物质稳定.由表1中数据可知，FM构型(掺杂的Mn原子磁序一致)的能量是最低的，所以FM构型是最稳定的磁构型，即掺Mn为6.25%的GaAs具有磁性.

表1 Ga1-x M n x As(x=0.625)在不同磁构型下的能量Tab.1 Energy of differentmagnetic configuration of Ga1-x M n x As(x=0.625)

图4 Ga1-x M n x As(x=0.625)的态密度Fig.4 Density of states of Ga1-x M n x As(x=0.625)

为了研究Mn掺杂GaAs体系对其半导体特性的影响，在Ga1-xMnxAs(x=0.625)体系的稳定构型基础上进一步研究了其电子结构.为了和GaAs对比，图4同样给出了其总的态密度和各元素的分态密度，图中上下两部分分别对应自旋向上和自旋向下的态密度.从图4可以看出，Mn掺杂的GaAs晶体态密度在-5～5 eV，总态密度和原子分态密度已不具有对称性，自旋向上的态密度在费米面(EF)上不为0，自旋向下的态密度在费米面仍然为0，系统能隙只有0.1 eV左右，所以Ga1-xMnxAs(x=0.625)具有稀磁半导体特性.进一步分析图4可以看出，Mn原子态密度自旋向上部分在-3 eV左右具有峰值，而自旋向下部分几乎为0，表现出较强磁性.从Ga1-xMnxAs(x=0.625)的原子分态密度可以得出Ga1-xMnxAs(x=0.625)体系的磁性主要来源于Mn原子.As原子的态密度在-0.1～0.5 eV能量区间内也不对称，只有自旋向上部分而没有自旋向下部分，表明As与Mn有较强的杂化作用，也被部分磁化.

3 结语

用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法研究了Mn掺杂GaAs体系.首先，构造了Mn掺杂GaAs体系的不同磁结构，通过比较不同磁构型下体系的能量得到系统具有铁磁性质;然后，研究了铁磁构型下Mn掺杂GaAs体系的态密度仍具有较小能隙，发现其稀磁半导体特性，并分析其磁性主要来自Mn原子，研究结果可为稀磁半导体材料的研究提供一定参考.

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