与si相容自旋电子学材料的研究：磁性半导体.pdf

摘要自旋电子学同时利用了电子的电荷和自旋两种属性,在器件内部实现了电与磁的耦合,是新一代的电子学。自旋电子学材料是当前自旋电子学的关键问题,Si是现代电子工业的基础。实现自旋电子学材料与Si半导体工艺的融合将会极大的促进半导体一自旋电子学的发展。因此,探索与Si相容的自旋电子学材料具有重要意义。论文着眼于与Si相容,以(Zn,Cr)S、(Ga,Mn)P和Mn。,采用基于密度泛函的第一性原理方法计算探讨了锌氧族化合物、。此外,论文还探讨了新型宽禁带绝缘体氧化物Zr02和Hf02基磁性半导体的掺杂磁性以及这类材料向半导体中的自旋注入。在第二章和第三章中,论文以(Zn,Cr)S和(G岛Mn)。研究表明,过渡金属原子倾向于在半导体基体中平面团聚形成delta掺杂,delta掺杂构型往往具有增强的二维磁性。论文系统考察了(Zn,Cr)S和(G如Mn)P的单层、半层、双层delta掺杂和一些接近delta 掺杂构型的构型(指原子通过短距迁移可以转化为delta掺杂构型的构型)的磁性及能量状态。研究表明,(Zn,Cr)S的所有研究的掺杂构型都具有半金属铁磁性;(G钆Mn)P的单层和半层delta掺杂构型具有半金属铁磁性,而双层为反铁磁性。论文还考察了不同晶面上的delta掺杂。研究表明,在(Zn,Cr)S和(Ga,Mn)P的高对称(001)面上的delta掺杂构型往往具有增强的二维半金属铁磁性(更高的铁磁稳定性和理论上保持半金属铁磁性的使用温度),而在低对称的(111)和(110)面上则失去铁磁性或铁磁性受到削弱。。在第四章中,论文系统探讨了Mn,,。研究表明,在Si的高对称(001)面上delta掺杂比在低对称(111)和(110)面上的铁磁性更稳定;在Si(001)面上低浓度单层delta掺杂具有半金属铁磁性,而半层和多层则失去半金属性质。Mn。。与(Zn,Cr)S和(Ga,Mn)P 不同,delta掺杂使MnxSil.。磁性半导体的铁磁稳定性提高但保持半金属铁磁性的使用温度降低。此外,论文还探讨了Sil.。Gex合金和SiC的掺杂磁性。在第五章中,论文探讨了新型宽禁带绝缘体氧化物Zr02和Hf02基磁性半导体的掺杂磁性和这类材料向半导体的自旋注入。研究表明,热电子弹道注入机制可以实现与 Si相容性较差的磁性半导体或铁磁体向Si的自旋注入。论文探讨了(Zr'Mn)02和(H￡ Mn)02的特殊电子结构在热电子弹道注入机制中的应用。论文指出采用这两种材料作为自旋过滤材料不但能在费米能级处实现100%自旋极化注入,而且能在很大范围的热电子能级上实现100%自旋极化注入。论文观察到注入到半导体中的电子自旋方向可以通过调整热电子能量进行调制,这有可能在电子白旋方向控制方面产生应用。论文在各章中还探讨了几种常见3d过渡金属原子在ZnS、GaP、Si和Zr02的(001) 面上delta掺杂的磁性。研究表明,掺杂原子对掺杂磁性有决定性影响。论文在第二章中还探讨了基体晶体结构和应力对掺杂磁性的影响。研究表明,基体晶体结构对称性越高,体系的铁磁稳定性越高;一般来说,应力对磁性半导体磁性影响很大。但研究表明,在很大范围内应力对立方(ZIl,COS的稳定性和半金属性质影响不大。此外,论文在第二章中还探讨了锌硫族化合物的delta掺杂的极端情况一立方过渡金属硫化物的磁性。论文指出立方VS、VSe、VTe、CrS、CrSe和CrTe等具有潜在的自旋电子学应用前景。.论文在第二章和第三章中还探讨了一些与Si具有较好相容性的锌硫族化合物和 。研究表明,立方(Zn,Cr)Se、(G如Mn)As、(A1, Mn)P、(A1,Mn)As、(Ga,Mn)(Gaj-xAlx,Mn)P等等都具有稳定的半金属铁磁性。此外,论文还探讨了一些与Si相容性较差的半导体材料的delta掺杂磁性,如立方(Zn, Cr)O、(Zn,Cr)Te、(Ga,Mn)Sb、(A1,Mn)Sb、(In,Mn)Sb、(In,V)N和(In,Cr)N等等都具有稳定的铁磁性。研究表明,这些材料都具有潜在的自旋电子学应用前景。论文指出,delta掺杂有望成为解决磁性半导体中掺杂过渡金属原子的团聚控制问题的方法之一。关键词:自旋电子学,磁性半导体,密度泛函理论,半金属铁磁性,Si,Delta掺杂 The St