Ⅲ-Ⅴ族非磁性半导体/ZnO异质结构的铁磁性及物性调控研究

Wurtzite Ⅲ-Ⅴ non-magnetic semiconductors (AlN, GaN, InN)/ZnO heterostructures will be modeled using first-principles calculation method. According to calculate the bingding energy of diverse interface atomic configurations, we would like to find the most stable interface structure. Then, we further study the effects of several factors on the electric and magnetic properties comprehensively, such as the interface barrier, charge-transfer effect, the thickness of Ⅲ-Ⅴ non-magnetic semiconductors layer, the type, concentration, valence state and depth of point defects in the interface, and the stress. Combinating the calculation results of density of states, band structure, charge-transfer and the distribution of magnetic moment, we would like to summarize the common features of the ferromagnetism, investigate the ferromagnetic mechanism and new spin-dependent transport properties of ZnO-based diluted magnetic semiconductors..The systematic study on this subject is of great importance to elucidate the ferromagnetic mechanism of ZnO-based diluted magnetic semiconductor, futher enhance the understanding and knowledge on the transport properties, enrich the comprehension on the physics of ferromagnetism, and lay an important foundation on the device applications.

采用第一性原理计算的方法构造具有纤锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族非磁性半导体(AlN、GaN、InN)/ZnO异质结构，通过计算多种界面原子构型的结合能找到最稳定的界面结构；全面、系统地研究非磁性半导体/ZnO异质结构中界面势垒、电荷转移效应、Ⅲ-Ⅴ族非磁性半导体层的厚度、界面点缺陷的类型、浓度、化学态及深度、界面间的应力等因素对体系电、磁性质的影响；结合电子态密度、能带结构、电荷转移、磁矩分布等计算结果，总结、归纳出该体系具有铁磁性的共同特征，解明ZnO基稀磁半导体铁磁性的物理机制；在此基础上探索体系电子自旋输运相关的新效应。.本课题的研究，对阐明ZnO基稀磁半导体的铁磁性机理具有重要意义，将进一步增进对其输运性质的了解与认识，丰富对铁磁性物理的理解，并为其在器件领域的应用奠定基础。

ZnO具有带隙宽、激子结合能高、温度稳定性好、易于与多种半导体实现集成等优异特性。寻找高居里温度的ZnO基稀磁半导体材料，深入研究其铁磁性起源机理及自旋相关输运性质，对开发集磁-光-电性于一体的新型多功能器件具有重要意义。本课题以Ⅲ-Ⅴ族非磁性半导体(AlN、GaN、InN)/ZnO异质结构为研究对象，通过第一性原理计算的方法，系统的研究了界面势垒、电荷转移效应、半导体层的厚度、界面点缺陷的类型及深度、界面间的应力等因素对体系电、磁性质的影响，探索ZnO基稀磁半导体铁磁性的物理机制及自旋相关输运性质，取得了以下的研究成果：对于每种异质结构，构造了16种不同原子构型，结合能计算结果表明，当O原子和N原子对接，且O原子恰好在N原子的正上方时结构最稳定，找到了Ⅲ-Ⅴ族非磁性半导体/ZnO稳定结构所遵循的普遍规律。具有稳定构型的AlN/ZnO的稳定态为铁磁态，对体系施加应力，其铁磁性有所降低但不明显。随着AlN及ZnO层厚度的增加，其铁磁性先增大后减小，当厚度为7层、9层时磁性最强，且表现出高于室温的铁磁性，总磁矩达到2.19 μB，该磁矩主要由界面处的N原子和O原子贡献。态密度分析结果表明，体系显示自旋极化率为100%的半金属特性，界面处N原子和O原子的2p态发生强烈的杂化，且引入了大量的空穴载流子，异质结构的铁磁性是由空穴载流子调控的p-p耦合相互作用引起的。当该体系中引入施主点缺陷时铁磁性减弱，引入受主点缺陷时铁磁性增强，并且受主点缺陷的位置离界面越近，铁磁性越强。相对于AlN/ZnO的铁磁性，GaN/ZnO异质结构的铁磁性明显降低，InN/ZnO几乎不具有磁性，这主要是由电荷转移效应导致的费米能级附近的界面态交换劈裂强度不同引起的。以上研究结果为开发氧化物基自旋电子器件提供了一条新的途径和解决办法。