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    1. MedeA案例三十二:MedeA在稀磁半導體材料中的應用

      2018-08-14 00:00:00 來源:源資信息科技(上海)有限公司

      新聞摘要:稀磁半導體(DMS)由于其物理特性及在自旋新型設備中潛在應用,吸引了大量的科學研究。盡管一些基于巨磁電阻效應的磁性設備已經被成功應用,但DMS材料的發展對自旋電子學十分重要。摻雜過渡金屬(TM)的In2O3,由于其在光學、電子和磁性特性集成為單一材料收到廣泛關注,然而,許多研究表明,室溫下過渡金屬摻雜的In2O3鐵磁性可能來自于磁性團簇析出或是氧化物二次磁性相。本案例中,作者通過實驗制備In2O<

      室溫下N摻雜對In2O3鐵磁性及正負磁矩的影響


      1. 研究背景

      稀磁半導體(DMS)由于其物理特性及在自旋新型設備中潛在應用,吸引了大量的科學研究。盡管一些基于巨磁電阻效應的磁性設備已經被成功應用,但DMS材料的發展對自旋電子學十分重要。摻雜過渡金屬(TM)的In2O3,由于其在光學、電子和磁性特性集成為單一材料收到廣泛關注,然而,許多研究表明,室溫下過渡金屬摻雜的In2O3鐵磁性可能來自于磁性團簇析出或是氧化物二次磁性相。本案例中,作者通過實驗制備In2O3中摻雜N元素,隨后用第一性原理研究N摻雜In2O3結構的光學、磁性和輸運性質。


      2. 建模與計算方法

      作者為天津理工大學材料學院的安玉凱老師課題組,其通過Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索了In2O3的立方型鐵錳礦結構,隨后采用SupercellBuilder創建了In2O3超晶胞。接著,采用Substitutional Search創建了三種不同N摻雜In2O3結構:(1)2個N原子取代In2O3晶胞中最鄰近的2個O,記作2N-close;(2)2個N原子取代最遠的2個O,記作2N-far;(3)2個N原子取代最鄰近的2個O和1個氧空穴(Vo),記作Vo-2N-close。

      作者采用MedeA-VASP模塊中對不同體系進行結構優化;隨后計算了N摻雜In2O3不同結構的電子、磁學等性質。


      3. 結果與討論

      3.1 不同N摻雜In2O3結構形成能

      作者采用MedeA-VASP模塊對N摻雜In2O3的2N-close、2N-far、Vo-2N-close結構優化,并通過下面公式計算不同結構形成能,具體能量見表1。從表1中可以看到,在In-rich和O-rich環境中,2N-close結構形成能最低,說明在In2O3晶格中2個N原子取代最鄰近的O原子是有利的。隨后作者也考察了不同結構的鐵磁及反鐵磁結構及能量,其磁化能量差 對于不同結構1-3分別是63.5、0.81和1.3 meV,說明三種結構的基態磁序均為鐵磁。

      結構1和2使用公式(1):

      結構3使用公式(2):

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      表1? N摻雜In2O3不同結構形成能

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      3.2 不同N摻雜In2O3結構態密度、光譜分析

      接著作者采用MedeA-VASP模塊對不同N摻雜In2O3的結構進行態密度分析,見圖1。圖1(a)為2N-close結構,DOS圖顯示N 2p軌道與O 2p、In 5p和In 4d均在費米能級(EF)附近有明顯重疊,同時在高于EF處,約0.16、0.55eV,形成兩個N 2p空穴接收能級。N摻雜會導致鄰近原子在EF附近能級分裂,形成N1:p – In:d – N2:p耦合鏈,間接造成2個N原子之間的FM耦合。從圖1(e)N摻雜In2O3結構有較大的總磁矩,2.0μB,由自旋密度圖可知N 2p軌道起主要作用。對于2N-far結構,N-N耦合減弱(圖1(b)和(f)),N 2p空穴接受能級只剩下一個。對于2N-close-Vo結構,N 2p空穴接受能級完全消失,總磁矩僅為0.25μB(圖1(c)和(g))。對于2N-close-2Vo結構,總磁矩為0μB,p-type特征消失,顯示為n-type(圖1(d)),與2 at. % N-doped ?lm的實驗結果完全一致。

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      圖1(a-d)不同N摻雜In2O3結構DOS圖及(e-g)對應的自旋密度圖;黃色為In、紅色為O、藍色是N原子。

      圖2(a)是2和5at.%N摻雜In2O3結構的紫外可見光譜,對于不同N摻雜In2O3結構顯現清晰波形特點,是由光干涉形成。對于吸收帶向更高波長出現明顯紅移。光傳輸強度隨著N摻雜而略有下降,這可能是由于N-誘導受體增強薄膜光散射的透明度造成的。圖2(b)是不同N摻雜In2O3光帶隙Eg,未摻雜In2O3結構帶隙Eg是3.66 eV,增加N含量,Eg從3.66減少至3.35 eV,表明在In2O3晶格中加入N離子對于調節In2O3帶隙起著重要作用。

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      圖2(a)2和5at.% N摻雜In2O3結構紫外可見光譜;(b)不同結構光帶隙Eg。


      4. 總結與展望

      本案例中,作者通過實驗結合第一性原理的方法,研究了不同N摻雜In2O3結構的光學、磁性和輸運性質,發現In2O3中摻雜N內在的鐵磁性是由N 2p軌道中p-p相互作用引起的,并造成較大的Zeeman-split效應,抑制載流子跳躍從而形成正磁電阻。本案例的研究具有非常重要的科學意義,為日后進一步研究In2O3材料打下了堅實的基礎。


      參考文獻:

      LuhangShen, Yukai An, Dandan Cao, Zhonghua Wu, Jiwen Liu.Room-Tempertature Ferromagnetic Enhancement and Crossover of Negative to Positive Magnetoresistance in N-Doped In2O3Filems.J.Phys.Chem.C. 2017, 121, 26499-26506.


      使用MedeA模塊:??

      ● Welcome to MedeA Bundle

      ● MedeA-VASP


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