稀磁半导体中的杂质、缺陷和无序的第一性原理研究

杂质与缺陷广泛存在于稀磁半导体中，对材料的性质有着广泛的影响。真实的材料与器件中杂质与缺陷的分布多呈现无序的状态，而在通常的第一性原理理论计算中，主要采用超原胞内均匀分布的杂质模型，这有时会导致较大的计算误差。同时由于受计算能力的限制，超原胞方法通常无法模拟实际材料中较低浓度的杂质和缺陷的影响。而基于相干势近似（CPA）方法则可以在较小的原胞里很方便地研究无序分布的杂质和缺陷对材料物性的影响。本项目计划结合超原胞方法和CPA方法，研究常见的III-V, II-VI和IV族稀磁半导体材料和器件中杂质和缺陷的多种分布（如团簇和无序等）对材料和器件的结构、磁性和电输运性质的影响，其中电输运性质的计算采用基于密度泛函的非平衡格林函数方法（DFT+NEGF）。这些研究工作能够加深我们对稀磁半导体的物性的认识，同时有助于设计出基于稀磁半导体的新型自旋电子学器件。

杂质和缺陷在真实材料里面广泛存在，这些杂质和缺陷会引入一些新的能级，改变材料的电子结构性质，从而改变材料的力热光电等性质。本项目研究了常规半导体材料Si、AlAs，以及新兴的过渡金属二硫化物以及拓扑绝缘体材料中的杂质和缺陷的分布，及其对电子结构的影响。主要内容包括：（1）对常规半导体Si进行（B，Mn）共掺杂。研究发现B的存在会改变稀磁半导体材料MnSi的磁性。由于B在Si中的可容性较好，而对Mn杂质进行原子级的操控则相对困难，而我们的研究结果表明，可以通过控制B的掺杂情况，在一定范围之内来实现对基于Si的稀磁半导体材料和器件的磁性的调控。（2）对III-V族半导体AlAs掺入碱土金属后的磁性研究。一般来说，为了在半导体中引入磁性，我们会在其中掺入过渡金属或者稀土元素，其中未满的3d/4f电子壳层会在材料中引入局域磁矩，从而使得材料呈现磁性。而实验告诉我们，以3d/4f壳层为特征的过渡金属和稀土元素原子，在常规的IV族和III-V族半导体里面的可控掺杂较为难以实现，这也事实上制约了稀磁半导体材料在自旋电子器件上的应用。而碱土金属与IV族和III-V族半导体同为sp电子材料，从电子结构上来说，更容易进行可控掺杂。因此我们研究了III-V族半导体AlAs中的碱土金属杂质的晶体结构、电子结构和磁性及其稳定性等问题，研究结果表明可以通过sp电子掺杂在AlAs里面引入较为稳定的磁性。（3）应力调制的过渡金属二硫化物所超晶格的电子结构和光学性质。由于其良好的半导体性能，过渡金属二硫化物在最近两年受到了极大的关注。我们研究了过渡金属二硫化物超晶格的电子结构、光学性质、及其应力调制的情况。尤其关注了应力调制的直接带隙和间接带隙之间的相互转化问题，及其对光吸收性能的影响。另外我们还讨论了基于过渡金属二硫化物的电子器件的量子输运问题。（4）拓扑绝缘体材料的表面态电子结构和其中的自旋螺旋特性的定量深入分析。