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非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究

ISSN号：1000-3290
期刊名称：Acta Physica Sinica
时间：2012.3.3
页码：439-444
分类：O484.43[理学—固体物理;理学—物理]
作者机构：[1]安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南232001, [2]南京大学电子科学与工程学院,南京210093
相关基金：国家自然科学基金（批准号：60990312,61025020）和国家高技术研究发展计划（批准号：2007AA032404）资助的课题.
相关项目：高居里温度自旋量子结构与器件

作者：吴孔平|顾书林|朱顺明|黄友锐|周孟然|Wu Kong-Ping~(1)) Gu Shu-Lin~(2)+) Zhu Shun-Ming~(|

关键词：稀磁半导体, 铁磁性, 第一性原理, Mn-N共掺ZnO, dilute magnetic semiconductor, ferromagnetism, first principle, N-Mn codoped ZnO

中文摘要：

利用金属有机源化学气相沉积技术,通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法,在蓝宝石上外延了Mn,N共掺ZnO薄膜.X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向.ZnMnO：N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失.同时van der Pauw法Hall效应测量表明,通过逐步对C的抑制,样品由n型导电转变成p型导电,这主要是由于C与N形成复合体取代O位（CN）_O,具有最低形成能且充当浅施主.对N,Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N,Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化,表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用,形成磁性束缚激子产生磁矩.一旦引入C后,C,N形成复合体取代O位,导致体系磁性减弱或者消失.模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明：对于Mn,N共掺ZnO薄膜样品,引入C与N形成复合体取代O位,Mn,N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失.因此,Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn,N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.

英文摘要：

Mn-N co-doped ZnO film on sapphire substrate is fabricated by metal-organic chemical vapor deposition method with changing the acceptor-doped source and importing the hydrogen and increasing the pressure to suppress carbon （C） approach gradually. X-ray diffraction displays the strong C-axis orientation. Raman sepectrum is employed to analyze vibration modes related to C elements. Hall measurements on the samples by van der Pauw method reveal the transition from n-type to p-type after suppression of C, which is possible due to the complex of （CN）o acting as a shallow donor. The first principles simulation calculation for Mn and N codoped ZnO crystals has been perfermed, and the total density of states reveals the strong p-d interaction and magnetic moment existing in the Mn and N codoped ZnO. The introduction of the complex of （CN）o, causes the p-d interaction to disappear and the magnetic moment to reduce even disappear. Therefore, the formation of magnetic bound polaron of Mn 3d electronics and N 2p local bound electronic determines the magnetic interaction effect, which can be explained from the theoretical predication on the Mn 3d and N 2p ferromagnetic （hole） coupling on the ferromagnetism.