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摘 要：稀磁半导体因兼有半导体及金属共同特性使其在电子器件和磁性方面有着广泛应用，因此，无论从理论还是应用上研究稀磁半导体都具有重要意义。本文基于第一性原理计算研究了Mn掺杂GaAs稀磁半导体的稳定结构、磁序特点、磁性来源及电子结构。首先，计算研究了GaAs的电子结构，证实其半导体特点；其次，研究发现了FM构型为Mn掺杂的GaAs体系的最稳定构型，并且基于该稳定构型进一步研究发现Mn掺杂GaAs的磁性主要来源于Mn原子；最后，研究发现Mn掺杂GaAs体系的电子结构具有稀磁半导体特性，并基于此展望了Mn掺杂GaAs稀磁半导体的应用前景。关键词：稀磁半导体；第一性原理；电子结构；磁性质8244
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The Study on Diluted Semiconductors of Mn Doped GaAs
Based on First-principles
Abstract: Diluted magnetic semiconductor has a wide range of applications in the electronics and magnetism for its both semiconductor and metal common characteristics, therefore, it is meaningful to study about diluted magnetic semiconductor in both theory and application research. The stable construction, magnetic order, the origination of magnetism and electronic structures of Mn doped GaAs was studied by using first principles calculation. Firstly, the electronic structure of GaAs is studied，it is proved to be semiconductor; Secondly, it is found that the FM configuration is the most stable for Mn doped GaAs system, and the magnetic moment mainly comes from Mn atom; Finally, the electronic structures of Mn doped GaAs is studied, and it is found that Ga1-xMnxAs is diluted magnetic semiconductor and its application prospects is forecasted.
Key Words: Diluted magnetic semiconductor; First-Principle calculations; Electronic structure; Magnetic properties
目 录
摘 要 1
引言 2
1. 结构模型和计算方法 2
1.1 结构模型 2
1.2 计算方法 3
2. 计算结果与讨论 3
2.1 GaAs的电子结构 3
2.2 Mn掺杂GaAs的稳定构型、磁性来源 4
2.3 Mn掺杂GaAs的电子结构 5
2.4 Mn掺杂GaAs稀磁半导体的应用前景 6
3. 结束语 7
参考文献 8
致 谢 10
Mn掺杂GaAs稀磁半导体的第一性原理研究引言
稀磁半导体（DMS）是指利用3d族过渡金属或者4f族稀土金属的磁性离子取代Ⅱ-Ⅳ族、Ⅱ-Ⅳ族、Ⅱ-Ⅳ族、Ⅲ-Ⅴ族等半导体中的部分带正电的离子而形成的新型半导体材料，如Zn1-xMnxSe, Sn1-xMnxTe, Zn1-xMnxO等。稀磁半导体因兼有半导体及金属共同特性使其在电子器件和磁性方面有着很广泛的应用[1-2]，因此，无论从理论还是应用上研究稀磁半导体都有重要的意义，稀磁半导体已成为近年来研究的热点[3-7]。GaAs是一种重要的半导体材料，禁带宽度（能隙）1.4eV与太阳光谱匹配好，具有熔点较高（1238℃），耐高温等较好特性使其在电池、半绝缘高阻材料、集成电路衬底、探测器等方面有着广泛应用。1996年，Ohno H 等用低温分子束外延（LT-MBE）方法研究制备出基于Ⅲ-Ⅴ族化合物GaAs新型稀磁半导体化合物 Ga1-xMnxAs ( Mn 组分x 在0. 005～0. 08 范围) [ 8]，( Ga, Mn) As 的发现标志着稀磁磁性半导体的新时代。 ( Ga, Mn) As 因既具有Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体GaAs的特性，又具备铁磁化合物的特点，并与Ⅲ-Ⅴ族异质结技术有很好的兼容性使其具有独特吸引力，因此, 最近涌现出了人们对于( Ga, Mn) As 稀磁的导体的研究涌现处热潮[8-10]。人们对Mn掺杂GaAs稀磁半导体材料的制备、结构、和磁性做了大量实验研究[11-19]，然而有关Ga1-xMnxAs的理论研究相对较少，本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理对Mn掺杂GaAs稀磁半导体的稳定结构、磁序特点、及电子结构研究，发现Mn掺杂GaAs体系的稳定构型，首先是为了得到Ga1-xMnxAs稳定构型、磁性来源、解释Mn掺杂GaAs体系导致其具有稀磁半导体特性的原因，为进一步进行相关研究提供理论引导，并可基于磁探求其应用前景。