First Principles Study of Diluted Magnetic Semiconductors: The Role of Clustering on the Ferromagnetic Coupling in (Ga,Mn)As

Abstract

Puolijohde-elektroniikka perustuu varauksen manipulointiin, kun taas magneettiset tallennuselementit perustuvat spinien järjestämiseen. Varausta ja spiniä voidaan hyödyntää samanaikaisesti magneettisissa puolijohteissa, joiden pohjalta suunnitellaan lukuisia tulevaisuuden spintroniikka -sovelluksia. Magneettisia puolijohteita voidaan valmistaa tavallisista puolijohteista saostamalla niitä magneettisilla epäpuhtauksilla, kuten Mn:lla. Tässä työssä tarkastellaan (Ga,Mn)As:a, jossa ferromagnetismin välittäjien tiedetään olevan aukkoja. Kokeellisesti on kuitenkin havaittu, että vain osa Mn -epäpuhtauksista järjestyy ferromagneettisesti, ja että aukkokonsenraatio on huomattavasti pienempi kuin mitä teoreettisesti ennustetaan. Uusien materiaalien ja niihin perustuvien sovellusten suunnittelun kannalta on ensiarvoisen tärkeää kattavasti tutkia ferromagnetismiin johtavia mekanismeja.

Tässä työssä tutkitaan (Ga,Mn)As:a superkoppilaskuilla, joissa Mn -epäpuhtauksia käsitellään sekä tasaisesti jakautuneina että klustereina. Tiheysfunktionaalilaskut tehdään projektiotäydennetty-aalto -menetelmällä, joka on pseudopotentiaalimenetelmiä tarkempi. Ferro-, antiferro- ja paramagneettisten konfiguraatioiden kokonaisenergia laskettiin, ja ferromagnetismi havaittiin aina energeettisesti edullisimmaksi. Kahden Mn -atomin parikonfiguraatio, jossa lähinaapurikationit on korvattu Mn:lla, osoittautui perustilaksi, ja saman parikonfiguraation havaittiin kompensoivan yhden aukon. Tämä uusi aukkojen kompensaatiomekanismi selitettiin yksinkertaisella atomikoordinaatioon perustuvalla laskentasäännöllä. Aukkojen kompensaatiomekanismien kirjoa laajennettiin uudella mekanismilla, ja samalla selvennettiin miksi vain osa Mm:eista järjestyy ferromagneettisesti ja minne suuri osa aukoista katoaa.