GaSb基磁性半导体第一性原理研究

Ferromagnetic semiconductor with both semiconductor and ferromagnetism properties, has become one of the researching hot topics because of its applications in message processing, storage and quantum computer fields. The item plans to employ the first-principles calculations to study: (1) the electronic structure, spin states and magnetism of the transition metal (TM) and non-TM (co-)doped GaSb system; (2) the electronic structure and magnetism of native point defects in GaSb. We try to analyse the effects of dopants、doping-type、carriers concentration and type on the electronic structure and magnetism in GaSb-based system, to unveil theoretically: (1) the microscopic nature in the doped 、high temperature and ferromagnetic GaSb-based semiconductors, (2) the possibility of d0 ferromagnetism in GaSb. The application aims to explore the spin-resolved physical mechanism of the GaSb-based magnetic semiconductor, and to provide the theoretical foundation for the design and preparation of high temperature and ferromagnetism materials.

铁磁性半导体是自旋电子学领域的新型材料，同时具有半导体和铁磁性两种属性，在信息处理、存储、量子计算机等方面有重要的应用，成为当前的研究热点之一。本项目拟采用量子力学第一性原理计算的方法，研究：(1)过渡族元素、非过渡族元素(共)掺杂的GaSb电子结构、电子自旋状态与磁学性质；(2)GaSb中本征点缺陷的电子结构与磁学性质。通过分析不同的掺杂元素、掺杂类型、载流子浓度和载流子类型对GaSb基磁性半导体中的电子结构和磁特性的影响，从理论上揭示：(1)掺杂的GaSb基高温铁磁性半导体中的微观磁相互作用的本质；(2)GaSb中实现高温d0铁磁性的可行性。本项目旨在探索GaSb基磁性半导体中自旋相关的磁耦合的物理机制，为高温铁磁性材料的设计、制备等提供理论依据。

为探索实现具有本征铁磁性及高居里温度（Curie temperature, TC）的GaSb基磁性半导体的掺杂方式和手段，采用第一性原理计算的方法，我们系统地研究了过渡族金属(第一序列及第二序列)及非过渡族金属掺杂GaSb的电子结构及磁学性质；探讨了外部手段(晶格应变)对Fe掺杂GaSb体系的电子结构及磁学性质的调控规律；我们的研究结果表明：（1）TM (TM=Mn, Cr, Mo)是三种优良的掺杂元素，这三种元素无论是Ga位掺杂(TMGa)还是Sb位掺杂(TMSb)，都可以引入一定的局域磁矩，在这三种体系中TMGa的形成能都低于TMSb的形成能，因而，这三种掺杂体系中的铁磁性来源于TMGa-TMGa间的磁耦合相互作用,并且较强的铁磁耦合作用预示着较高的铁磁居里温度（室温以上）；（2）应变对(Ga,Fe)Sb系统的电子结构和磁学性质有非常明显的调控作用：当应变在-3%~0.5%范围内，FeGa处于低自旋态（Low Spin State, LSS）, 具有1uB 的局域磁矩，当应变增加到 0.6%~3%时，FeGa转变为高自旋态（High Spin State, HSS），此时FeGa提供了5uB 的局域磁矩；FeGa缺陷在LSS/HSS时，产生总磁矩的大小不变，总是为1uB /5uB ，但是磁矩的分布随着应变的变化而有所不同: 在-3%~0.5%应变范围内，Fe原子对总磁矩的贡献逐渐增大，应变为0.5%时，Fe-3d电子产生磁矩的大小为2.42uB ，若应变继续增大到0.6%，Fe-3d电子产生的磁矩发生了跃变，增大到3.59uB ，表明Fe原子的自旋态由LSS转变为HSS; -3%~0.5%应变范围内，体系的TC随着应变的增加而增加，当应变为0.5%时， TC达到最大值，当应变为0.6%时，TC陡然降低，并且在0.6%~3%应变范围内，TC随着应力增加而逐渐降低;这说明0.5%的应变可有效提高(Ga, Fe)Sb系统的磁耦合强度；应变对(Ga, Zr)Sb的铁磁性也有较强的调控作用，压缩应变可增强其中的铁磁耦合强度；（3）非过渡族金属及本征点缺陷都无法在GaSb中提供局域磁矩，因而在GaSb中无法实现d0铁磁性。此外，我们也研究了Fe, Co, Ni 掺杂GaSb的光学性质。