Cu掺杂的AlN铁磁性和光学性质的第一性原理研究_林竹.pdf

第58卷第3期2009年3月物理学报Vol.58,No.3,March,2009
100023290P2009P58(03)P1917207ACTAPHYSICASINICAn2009Chin.Phys.Soc.

Cu掺杂的AlN铁磁性和光学性质的第一性原理研究3
林竹郭志友­毕艳军董玉成
(华南师范大学信息光电子科技学院光电子材料与技术研究所,广州510631)
(2008年6月2日收到;2008年8月20日收到修改稿)

采用基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),对Cu掺杂AlN32
原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了Cu掺杂AlN的晶格常数,能带结构,电子态密度和光学性质.结果表
明,Cu掺杂AlN会产生自旋极化状态,能带结构显示半金属性质,掺杂后带隙变窄,长波吸收加强,能量损失明显减
小.同传统的稀磁半导体(DMS)相比,Cu掺杂AlN不会有铁磁性沉淀物的问题,因为Cu本身不具有磁性.因而,Cu
掺杂的AlN也许是一种非常有前途的稀磁半导体.

关键词:AlN,第一性原理,铁磁性,光学性质
PACC:7115A,7115M,7115H,7865K

来代替磁性过渡金属是可行的.这种杂质首先必须
11引言是没有磁性的,当掺杂以后,这些杂质应该和有限磁
动量进行自旋极化,它们相互耦合产生铁磁性.Cu
新近发展的自旋电子学期望在同一种物质中同就是这样一种杂质,无论在理论上还是在实验上,它
时运用电子的电荷和自旋,从而得到远高于传统半都引起了相当的兴趣.ZnO中的单一Cu原子和有限
导体器件性能的新型器件.稀磁半导体(DMS)被认磁动量形成一种自旋极化状态,并且Cu杂质只存
[11—13]
为是这个领域最理想的材料之一,它正日益激起人在铁磁性的基态.近年来,实验上已经实现了
[14]
们的兴趣[1].理想的DMS应该在室温下具有铁磁室温下的Cu掺杂ZnO的DMS.对于GaN来说,
同样也可能是一种潜在的非磁性杂质[15,16]
性,而大量研究表明掺入磁性金属能得到高于室温Cu,Pd.
[2—5]以上的这些研究表明,用非磁性杂质来制作DMS是
的DMS.作为Ⅲ族氮化物中带隙最宽的材料,
可能的.
AlN基的稀磁半导体具有相当重要的研究价值.当
在实验上,Cu掺杂AlN已经有报道[17],但是作
采用磁性过渡金属掺杂AlN时,由于掺杂金属本身
为DMS的研究还没有报道.第一性原理赝势计算法
具有磁性,它们的沉淀物以结团或者第二相的形式—
已经广泛应用于材料模拟[1820],本文采用基于密度
影响着铁磁性,因而在AlN基的DMS中,测量的平
泛函理论的平面波赝势法(PWP)对Cu掺杂AlN的
均磁动量要比预计的小得多,并且居里温度范围跨
32原子超原胞体系进行了几何结构优化,并对结果
度也非常的大(10—945K)[6,7],这表明磁性杂质的
进行了分析,研究了Cu掺杂AlN的电子结构和光学
[8]
贡献并不是一致的.Cui等计算表明,在GaN基的性质,探讨了获得Cu掺杂AlN基的DMS的可能性.
DMS中,Cr的结团导致较低的平均磁动量,结团的
Cr原子只存在反铁磁性的基态,因而降低总的磁动21模型和计算方法
量,增强平均磁动量.同样的机理也可以用来解释以
相似方法得到的AlN基的DMS.因而,在用磁性过渡
211.理论模型
金属掺杂AlN中,铁磁性的起源并不清楚.In杂质
在GaAs中是均匀的[9,10],表明掺杂时用非磁性杂质理想的AlN是六方晶系纤锌矿结构,属于

3国家自然科学基金(批准号:10674051),广东省自然科学基金(批准号:06025082)广东省科技计划项目(批准号:0711020500090),广州市
科技攻关重大项目(批准号:2005Z12D0071)课题的资助.
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1918物理学报58卷

P63mc空间群,对称性为C6v-4.晶格常数a=b=Al—N键长.本文中AlN晶体的超原胞中一共包含
01311nm,c=01498nm[21],cPa=11601.晶胞由两个32个原子,是在AlN原胞的a,b,c基矢方向上分
hcp(六方密堆积结构)子格子沿c轴平移套构而成.别扩展一个单位得到2×2×2的超原胞,Cu单原子
文中所有的计算模型都是基于超晶胞模型,如图1掺杂就是在超原胞中用一个Cu杂质原子替代AlN
(a)所示.从图中可以看到,AlN中配位体是一个三中的Al原子,掺杂比例为6125%.Cu掺杂的超晶胞