p型二维δ层稀磁半导体的居里温度随形变提高的机制研究

The research of Diluted Magnetic Semicondutor (DMS) is limited by the Curie temperature lower than room temperature. Recently, the theory research of DMS is mainly on the local effect between magnetic atoms. We will consider the 2 dimensional long range order in δlayer first, then the shape change will also be considerd. At the same time, traditional theory show that the holes will enhance the exchange energy in DMS and then improve the Curie temperature. To find out these DMS whose Curie temperature is higher than room temperature, we should consider three ways:δ layer, shape change and p-dopant. As a case of DMS, we will studyδ-(Ga,Mn)As first, to exploer the way to strength the exchange energy, the magnetic nature with dimension, the shape change mechanism, the effect of hole and interface. The result will give new guidance for the design of semiconductor device.

稀磁半导体（DMS）的应用瓶颈是其低于室温的居里温度，这与磁性原子间的长程作用有关。针对当前DMS的理论研究多局限于磁矩间的局域耦合，本项目继承了二维长程有序的δ层概念，并与形变相结合进行研究。同时，传统理论认为空穴的引入能增大DMS的磁交换能进而提高居里温度。为寻找超过室温的DMS，在已有的研究基础上，我们需综合δ层概念、形变和p型掺杂三种因素，从理论上研究以δ-(Ga,Mn)As为主的δ-DMS，揭示磁交换能增强的途径，对其维度有关的磁学性能，形变机制，空穴作用以及界面效应等进行系统研究。从而为低维体系的稀磁半导体研究提供新的结果。并为新型半导体的设计制造提供理论支持。

稀磁半导体具有半导体的结构特性又具有金属的特点。将这种双重特性的稀磁半导体作为自旋注入流，可以使得自旋电子学得以广泛应用。为了应用的便利性，稀磁半导体需要在室温下获得自旋电子流。哪些稀磁半导体具有室温下的铁磁性？怎样提高铁磁性稀磁半导体的居里温度？这些问题都值得探讨和研究。. 美国加州大学圣巴巴拉分校的Stefano Sanvito教授在GaAs掺杂Mn的DMS中提出了二维的δ层概念，即MnAs作为GaAs的夹层使得该DMS具有二维长程FM的材料。该模型大大提高了DMS的居里温度，但是实验中该DMS的居里温度只有250k，仍未能达到室温。但250k已经快接近室温了，所以可以另找物理过程，使得体系的居里温度稍微提高而能超过室温。作为二维体系，我们可以很方便地通过形变实现这个物理过程。. 本基金基于密度泛函理论的第一性原理方法研究一些磁性体系里居里温度提高的方法以及电子结构特征。在GGA计算中，δ-(Ga,Mn)As，δ-(Zn,Mn,Li)Se两种体系都可以大幅提高磁交换能，尤其是δ-(Ga,Mn)As，根据居里温度与磁交换能成正比的假设，形变可以使得体系的居里温度从250K提高到308K，并且从铁磁态总能的对比上可以得出这种形变一种相对容易实现的形变过程。针对Mn原子d电子的局域性，LDA+U方法被引入计算δ-(Zn,Mn,Li)Se的磁性随行变的改变，发现形变也能改变磁交换能，并且有些形变能提高磁交换能。但从态密度分析来看，GGA方向中磁性原子间主要是双交换作用，而LDA+U方法中，磁性原子间是p-d交换。对于δ-(Ga,Mn)As，δ-(Zn,Mn,Li)Se这些DMS来说，这两种作用都需要考虑，来综合分析体系的磁性随形变改变。. 上述的所有分析都基于体结构的δ-(Zn,Mn)Se，然而如今电子器件的规模日益接近于纳米级，传统材料的性质已经不再适合当今半导体的研究，我们需要将纳米效应和表面效应等纳入考量。这一切反应在DMS里，就是磁性材料需要采用薄膜的形式，在材料里面就是二维的。因此，我们选取了δ-(Ga,Mn)As的三种不同类型的薄膜结构进行分析。. 总之，形变是提高δ-DMS的有效方法之一。