Электронное строение разбавленных магнитных полупроводников на основе халькопиритов AIIBIVCV2 допированных Mn тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Мурашов, Сергей Владимирович

• Мурашов, Сергей Владимирович
• кандидат химических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат химических наук Мурашов, Сергей Владимирович

Введение.

Глава I. Литературный обзор.

1. Теоретические подходы.

2. Кристаллическая структура соединений A!IBIVCV2, где А - Zn, Cd; В — Ge; С - As, Р.

2.1. Кристаллическая структура ZnGeP2.

2.2. Кристаллическая структура CdGeP2.

2.3. Кристаллическая структура ZnGeAs2.

2.4. Кристаллическая структура CdGeAs2.

Глава II. Метод Расчета.

1. Приближенная обменно-корреляционная энергия.

2. Базис плоских волн.

3. Подбор псевдопотенциала.

4. Приближение GGA (ОГП).

Глава III. Расчет зонной структуры. Сравнение с экспериментом.

1. Теоретические зонные структуры соединений CdixMnxGeAs2.

Сравнение с экспериментом.

2. Теоретические зонные структуры соединений Cdi.xMnxGeP2.

3. Теоретические зонные структуры соединений Zn!xMnxGeAs2.

4. Сравнение теоретических зонных структур соединений Znj. xMnxGeAs2 и CdixMnxGeAs2.

5. Теоретические зонные структуры соединений ZnixMnxGeP2,.

Глава IV. Электронное строение соединений A'Yx Mnx GeAs2.

Глава V. Электронное строение соединений AUix Mnx GeP2.

Глава VI. Обсуяедение результатов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронное строение разбавленных магнитных полупроводников на основе халькопиритов AIIBIVCV2 допированных Mn»

Одним из актуальных направлений современной твёрдотельной электроники является спиновая электроника (спинтроника) в устройствах которой, наряду с зарядом, спин электрона становится активным элементом для передачи и хранения информации, что позволит на порядки увеличить быстродействие и память компьютерных чипов. В качестве наиболее перспективных материалов, способных инжектировать электроны с определённым спиновым состоянием являются GaAs и соединения группы AnBIVC 2 легированные Зё-элементами. Установлено, что представители группы АИВ|УС^: Cdi.xMnxGeP2, CdixMnxGeAs2, Znj. xMnxGeP2 и ZnixMnxGeAs2 являются ферромагнитными полупроводниками с температурой Кюри (Тс) выше комнатной. При этом Тс разбавленного магнитного полупроводника (РМП) Cdi.xMnxGeAs2 при х=0,06 составляет 355 К, что является рекордной величиной для подобных материалов. Переход полупроводника в магнитоупорядоченное состояние описывается в рамках ряда моделей: двойного обмена, кинетического обмена Зинера, кинематического обмена и модели Гейзенберга. Общим для всех моделей является их многоэлектронный характер, и важным критерием их применимости является структура одноэлектронных волновых функций и химической связи. Существующие расчеты соединений AnBIVC 2 ограничиваются шириной зоны, а детальные расчеты электронного строения проведены только для чистого CdGeAs2.

Для понимания общих закономерностей электронного строения рассматриваемых соединений и его связи с моделями магнетизма необходимы неэмпирические расчеты чистых и замещенных соединений, синтез которых проводится в настоящее время.

Целью работы являются теоретические расчеты электронного строения разбавленных магнитных полупроводников, и сопоставление результатов с моделями и экспериментом для определения направлений поиска полупроводников с магнитными свойствами

Научная новизна. Впервые произведены неэмпирические расчеты разбавленных магнитных полупроводников - материалов спинтроники со структурой халькопирита: Cdi.xMnxGeAs2, Cdi.xMnxGeP2, Znix MnxGeAs2, и Zn.ix MnxGeP2, для различных концентраций примеси и установлены закономерности их электронного строения. Полученные результаты могут быть использованы для объяснения эффекта ферромагнетизма, и связи магнетизма с химическим составом, и электронным строением указанных выше функциональных материалов.

Практическая ценность. Полученные результаты позволили установить связь особенностей электронного строения соединений AHi.xMnxB1YC2 с типом атомов II,V групп и концентрацией магнитной примеси; установить направление поиска магнитных полупроводников, которые могут быть использованы в спинтронных устройствах, как инжекторы или среды для транспортировки электронов с определенным направлением спинов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Общие закономерности электронного строения разбавленных магнитных полупроводников AUixMnxBIVC\

2. Зависимость электронного строения от типа атома II,V группы и концентрации примеси.

Личный вклад автора. Выполнен весь объем работ по расчету электронного строения магнитных полупроводников, обработка результатов и их анализ, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, выводы и рекомендации.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XVII, XVIII и XX симпозиуме Современная химическая физика, Туапсе, 2005, 2006, 2008 г.г.; на Международной конференции 90 лет А.М.Прохорова. 2006г., на XVIII Менделеевском съезде 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в российских журналах рекомендованных перечнем ВАК, и 5 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 100 страницах и содержит 5 таблиц, 28 рисунков, 79 наименований цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Мурашов, Сергей Владимирович

Выводы

На основании квантовохимических исследований химической связи в разбавленных магнитных полупроводниках (Mn)AnGeC 2 - перспективных материалов спинтроники для различных концентраций Мп и различных элементов А и С получены следующие выводы.

1. При допировании соединений AnGeC2 атомами Мп переход от режима примесного Mn3d-yровня в валентной зоне к режиму химической связи определяется в основном атомом А11 и концентрацией примеси. Зависимость он атома Су незначительна.

2. Концентрация примеси, при которой при которой образуется химическая связь, коррелирует с концентрацией, при которой возникает ферромагнетизм.

3. При установлении режима химической связи Mn3d орбитали образуют связывающий уровень на ЗэВ ниже энергии Ферми и разрыхляющий уровень на 1 эВ выше уровня Ферми, причем связывающие и разрыхляющие орбитали имеют различные проекции спина.

4. Электронное строение валентной зоны тройных соединений (Mn)AnGeC2 аналогично электронной структуре соединений (Mn)GaAs, что делает возможным использования одинаковых моделей для описания магнетизма в эти соединениях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Мурашов, Сергей Владимирович, 2008 год

1. Jungwirth Т., Sinova J., Masec J., Kucera J., MacDonald A.H., Theory of ferromagnetic (III,Mn)V semiconductors. Rev.Mod.Phys. 2006. V.78. P.809

2. Zutic I., Fabian J., Das.Sarma S. Spintronic : Fundamental and applications. Rev.Mod.Phys. 2004. V76. P.323-410.

3. Иванов В.А., Аминов Т.Г., Новоторцев B.M., калинников В.Т. Известия академии наук Серия химическая. 2004. №11. С. 22562303.I

4. Zener С. Interaction between the d-shells in the transition metals. II Ferromagnetic compounds of manganese with perovskite structure. Phys.Rev 1951. V.82. P.403-405

5. Ohno H., Munekata H., Penney Т., von Molnar S., Chang L.L., Magnetotransport properties of p-type (!n,Mn)As diluted magnetic lll-V semiconductors

6. Phys.Rev.Lett. 1992 V.68. P.2664-2267.

7. Akai H. Ferromagnetism fhd Its Stability in the Diluted magnetic semiconductor (InMn)As. Phys.Rev. Lett. 1998. V. 81. P.3002-3005.

8. Ohno H. Making nonmagnetic semiconductors magnetic. Science. 1998. V. 281. P.951-956.

9. Zener C. Interaction between the d-shells in the transition metals. II Ferromagnetic compounds of manganese with perovskite structure. Phys.Rev 1951. V.81. P.440-444.

10. Flatte M.E. Relativity on the chip. Nature 2004. V. 427. N. 6969. P.21-22

11. Rashba E. Electron spin operation by electric field, spin dynamics and spin injection. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructuresr*2004. V. 20. P. 189-195

12. Dresselhaus G. Spin-Orbit Coupling Effects in Zinc Blende Structures Phys. Rev. 1955. V.100. P.580-586.

13. W. Heisenberg. Z.Phys. 1928. V.49. P.619.

14. Калинников B.T., Ракитин Ю.В., Новоторцев B.M., Современная магнетохимия обменных кластеров. Успехи химии. 2003. Т. 72. №12 С.1-17.

15. Вонсовский С.В., Кацнельсон М.И. Квантовая физика твердого тела. М. Наука 1983. 336 с.

16. Ruderman М.А., Kittel С. Inderect Exchange coupling of nuclear magnetic moments by conduction electrons. Phys. Rev. 1954. V. 96 . P. 99-102.

17. Kasuya T, Yanase A. Anomalous transport phenomena in Eu -chalcogenide alloys. Rev. Mod.Phys.1968. V.40. P.684-695.

18. Van vieck J. H. Note on the Interactions between the Spins of Magnetic Ions or Nuclei in Metals Reviews of Modern Physics 1962. V. 34. P. 681-686.

19. Bouzerar R., Bouzerar G., Ziman T. Why RKKY exchange integrals are inappropriate to describe ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors. Phys. Rev. B. 2006. V. 73. At. 024411. P. 1-8.

20. Barth von U., Hedin L. J.Phys. C. Solid. State. Phys. 1972. V.5. P. 1629.

21. Jones W., Gunnarson O. The density functional formalism, its applications and prospects. Rev. Mod. Phys. 1989. V.61. P.689-746.

22. Anderson P.W. Phys.Rev. 1961. V.124. P.41

23. Bhattacharjee A.K., Benoit a la Guillaume C. Model for the Mn acceptor in GaAs. Solid State Communications .2000. V.113. P.17-21.

24. Krstajic. P.M., Peeters F.M., Ivanov V.A., Flerov V., Kikoin K. Double-exchange mechanisms for Mn-doped lll-V ferromagnetic semiconductors Phys.Rev.B. 2004. V.70. At. 195215.

25. Ivanov V.A., Krstajic. P.M., Peeters F.M., Flerov V., Kikoin K. J. Magnrtism and Magnetic. Mateials. 2003. V. 258-259. P. 237-240.

26. Ivanov V.A., Ugolkova E.A., Pashkova O.N., Sanygin V.P., Padalko A.G. Ferromagnetism in dilute magnetic semiconductors. J.Magn. Magn. Mater. 2006. V.300. P.e32-e36.

27. Dietl T. Functional ferromagnets, Nature materials 2003. V2 646-648.

28. Korzhavyi P.A., Abrikosov A., Smirnova E.A., Bergqvist L., Mohn P., Mathieu R., Svedlindh P., Sadovski J., Isaev E.I., Vekilov Yu. Kh., Eriksson O. Defect Induced Magnetic structure in (Gal-xMnx)As// Phys. Rev. Lett. 2002. V.88. 187202. P.l-4.

29. Erwin S.C., Zutic I., Tailoring ferromagnetic chalcopyrites.Nature materials, 2004. V.3. P.410.

30. Kent P.C.C., Schulthess t.C. Ferromagnetism and carrier polarization in Mn doped II-IV-V2 chalcoperites. Physics of semiconductors. 27 International conference on The Physics of Semiconductors. 2005. P.1369-1370.

31. Kresse D., Joubert J. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method Phys.Rev. B. 1999. V. 59. P.1758-1775.

32. Mahadevan P., Zunger A., Ferromagnetism in Mn-doped GaAs due to substitutial-interstitual complexes. Phys. Rev.B. 2003. V.68. 075202.

33. Chao S., Choi S., Cha G.-B.,Hong C., Kim Y., Zhao Y.-J., Freeman A.J., Ketterson В., Kim В., Kim Y. C., Choi B.-C., Room Temperature Ferromagnetism in (Znl-xMnx)GeP2 Semiconductors, Phys.Rev.Lett. 2002. V.88.N 25 .257203.

34. Wimmer E., Krakauer H., Weinert M., Freeman A.J. Full-potential self-consistent linearized-augmented-plane-wave method for calculating the electronic structure of molecules and surfaces: 02 molecule Phys.Rev. B. 1981. 24. P.864ч875.

35. Jansen H.J.F., Freeman A.J. Total-energy full-potential linearized augmented-plane-wave method for bulk solids: Electronic and structural properties of tungsten. Phys.Rev. B. 1984. V.30. P. 561-569.

36. Delley B. From molecules to solids with the DMol3 approach, J. Chem. Phys. 2000. V. 113. P. 7756-7764.

37. Delley B. An All-Electron Numerical Method for Solving the Local Density Functional for Polyatomic Molecules. J. Chem. Phys., 1990. V. 92. P.508-517.

38. Picozzi S., Zhao Y.-J., Freeman A., Delley B. Mn-doped CuGaS2 chalcopyrites: An ab initio study of ferromagnetic semiconductors. Rev. B. 2002. V. 66. 205206.

39. Zhao Y.-J., Freeman A.J. First Principle prediction of new class of ferromagnetic semiconductor. J.Magn. Magn. Mater. 2002. V.246. N.l-2. P.145.

40. Полупроводники AIIBIVCV2 под ред. Горюновой Н.А., Валова Ю.А., М., «Советское радио», 1974.

41. Vaipolin А.А., Osmanov Е.О., Prochukhan V.D., Modifications of A(II) B(IV) C2(V) compounds with the sphalerite structure. Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Neorganicheskie Materialy (1972) 8, 825-827.

42. Pfister H. Kristallstruktur von ternaeren Verbindungen der Art A(II) B(IV) C(III)2, Acta Crystallographica (1958) 11, 221-224.

43. Vaipolin A.A., Specific defects of the structure of compounds A(II) B(IV) C(V)2, Fizika Tverdogo Tela (1973) 15, 1430-1435.

44. Маренкин С.Ф., Новоторцев B.M., ПалкинаК.К., Михайлов С.Г., Калинников В.Т., Получение и структура кристаллов CdGeAs2, Неорганические материалы, 2004, т.40, №2, с. 1-3.

45. Und M.D., Grant R.W., Structural dependence of birefringence in the chalcopyrite structure. Refinement of the structural parameters of ZnGeP2 and ZnSiAs2, The Journal of Chemical Physics January 1, 1973 - Volume 58, Issue 1, pp. 357-362.

46. Hoenle W., von Schnering H.G., Verfeinerung der Kristallstruktur von CdGeP2, Zeitschrift fuer Kristallographie (1981) 155, 319-320.

47. Hoenberg P. Kohn W. Ingomogenious electron gas. Phys.Rev. B. 1964. V. 136. P.864-871.

48. L.J.Sham, in Computational methods in band theory, ed.P Marcus, J.F.Janak, A.r.Williams: Plenum N.Y. 1971

49. Gonze X., Beuken J.-M., Caracas R.,. Detraux F, Fuchs M., Rignanese G.-M., Sindic L., Verstraete M., Zerah G., Jollet F., Torrent M., Roy A.,

50. Mikami M., Ghosez Ph, Raty J.-Y., Allan D.C. First-principles computation of material properties: the ABINIT software project. Computational Materials Science. 2002, V. 25. P. 478-492.

51. Richard M. Martin Electronic Structure Basic Theory and Practical Methods. USA Illinois, USA 2004.

52. Y.-M.Juan, E. Kaxiras, R.Gordon Use of the generalized gradient approximation in pseudopotential calculation of solids. Phys.rev.B. 1995 V.51 P. 9521-9525. (GGA)

53. L.Kleinman, Exchange density functional gradient expansion. Phys.Rev B. 1984. P.2223-2225.

54. Limpijumnong S.L., Lambrecht W.R.L. Band Structure of CdGeAs2 near fundamental gap// Phys.Rev. 2002, V. 65. 165204.

55. R.W. Godby, M.Schluter, L.J.Sham Self-energy operators and exchange-correlation potentials in semiconductorsPhys. Rev. В 1988. V. 37 P. 10159- 10175 .

56. В.Г.Яржемский, С.В.Мурашов,.И.Нефедов, Э.НМуравьев, А.В.Молчанов. А.А.Багатурьянц, А.А.Книжник, В.А.Морозова, Зонная структура разбавленного магнитного полупроводника

57. MnxCdl-xGeAs2. Неорганические материалы, 2006, Т. 42 . С.924-927.57. Мурашов Туапсе 2005

58. С.В.Мурашов, В.Г.Яржемский, В.И.Нефедов, Э.Н.Муравьев, Электронное строение магнитных полупроводников Cdl-xMnxGeAs2 и Cul-xMnxGaTe. Журнал неорганической химии 2007. т.52. № 8 с. 1327-1331.

59. С.В.Мурашов, В.Г.Яржемский, Э.Н.Муравьев В.И.Нефедов, А.В.Молчанов. А.С.Багатурьянц, А.А.Книжник, В.А.Морозова. Электронное строение материала спинтроники Cdl-xMnxGeAs2. Инженерная физика, 2007. № 1. С. 46-49

60. В.Г. Яржемский, С.В.Мурашов, Зонная структура материалов спинтроники Тезисы докладов 18 симпозиума Современная физика, г. Туапсе 2006. С.74.

61. С.В.Мурашов, Э.Н.Муравьев, В.Г.Яржемский, В.И.Нефедов, Особенности зонной структуры материалов спинтроники. Фундаментальные основы инженерных наук. Сб. трудов Межд. конф. 90 лет А.М.Прохорова. 2006, т.2 с. 58-59.

62. В.Г.Яржемский, С.В.Мурашов, Э.Н.Муравьев, В.И.Нефедов Электронное строение материалов спинтроники. Тез.докл. XVIII Менделеевского съезда. Москва 2007. С.638

63. Bendorius R., Prochukhan V.D., Sileika А. // Phys. Stat. Sol., 1972, B53, N 2, p.745.

64. Аксёнов В.В., Петров В.М., Полыгалов Ю.И., Чалдышев В.А., // Всесоюзная конференция по электрическим и оптическим свойствам кристаллов типа AIIIBV и сложных соединений типа AIIBIVCY2. Тезисы докладов. Ашхабад, «Ылым», 1971, с.11.

65. Solomon G.S., Timmons M.L., and Posthill J.B., Organometallic vapor-phase-epitaxial growth and characterization of ZnGeAs2 on GaAs, Journal of Applied Physics March 1, 1989 - Volume 65, Issue 5, pp. 1952-1956.

66. Хилсум К., Роуз-Инс А., Полупроводники AIIIBV. Москва, И.Л. 1963.

67. Вайполин А.А., Специфические дефекты структуры соединений. А(П) B(IV) ССУ)2//Физ.Тверд.Тела. 1973. Т. 15. С. 1430-1435.

68. Korzhavyi Р.А., Abrikosov A., Smirnova Е.А., Bergqvist L., Mohn P., Mathieu R., Svedlindh P., Sadovski J., Isaev E.I., Vekilov Yu. Kh., Eriksson O. Defect Induced Magnetic structure in (Gal-xMnx)As// Phys. Rev. Lett. 2002. V.88. 187202. P.l-4.

69. Jungwirth Т., Sinova J., MacDonald A.H. Gallagher B.L.,Novak V., Edmonds K.W., Rushforth A.W., Campion R.P., Foxton C.T., Eaves L.,

70. Olejnik К., Mesek J., Yang S.R.E.,Wunderlich J., Gould C., Molenkamp L.W., Dietl Т., Ohno H. et.al. On the character of states near the Fermi level in (Ga,Mn)As: impurity to valence band crossover // Phys.Rev. B. 2007. V76. 125206. P.l-9.

71. Jungwirth Т., Sinova J., Masec J., Kucera J., MacDonald A.H., Theory of ferromagnetic (III,Mn)V semiconductors// Rev. Mod. Phys. 2006. V.78. P.809-864.

72. Erwin S.C., Zutic I. Tailoring ferromagnetic chalcopyrites// Nature materials. 2004. V.3. P.410-414.

73. Choi S., Choi J., Hong S.C., Cho S. Mn-doped ZnGeAs2 and ZnSnAs2 single crystals: growth and electrical and magnetic properties, Journal of the Korean Physical Society, 2003. V.42. . P. S739-S741.

74. Новоторцев B.M., Маренкин С.Ф., Варнавский C.A., Королева Л.И., Куприянова Т.А., Шимчак Р., Киланский JL, Кржиманска Б. Ферромагнитный полупроводник ZnGeAs2{Mn} с точкой Кюри 367 К. Ж. Неорг. Хим. 2008. Т. 53 С.22-29.

75. Zhao Y.-J., Geng W.T., Freeman A.J., Oguchi Т.// Magnetism of chalcopyrite semiconductors: Cdl-xMnxGeP2// Phys.Rev В. V. 63. 201202R. P. 1-4.

76. Krstajic. P.M., Ivanov V.A., Peeters F.M., Flerov V., Kikoin K. On the nature of ferromagnetis in diluted magnetic semiconductors: GaAs:Mn/ /Europhys.Lett. 2003. V.61. P.235-241.

77. Новоторцев В.М., Маренкин С.Ф. Материалы IV Российско-японского семинара "Перспективные технологии и оборудование для материаловедения микро- и наноэлектроники" 2006. С.75.

78. Новоторцев В.М., Калинников В.Т., Королёва Л.И., Демин Р.В., Маренкин С.Ф., Аминов Т.Г., Шабунина Г.Г., Бойчук С.В., Иванов

79. B. А. Высокотемпературный ферромагнитный полупроводник CdGeAs2{Mn} // Журнал Неорганической Химии. 2005, Т. 50. №4.1. C. 552-557.