稀磁半导体MnTe和CrTe的微观结构及电磁性能

徐 强,杨光敏,邢光宗

(1.长春工程学院 勘查与测绘工程学院,长春 130021;2.长春师范大学 物理学院,长春 130032;3.吉林大学 材料科学与工程学院,长春 130012)



稀磁半导体MnTe和CrTe的微观结构及电磁性能

徐 强1,杨光敏2,3,邢光宗3

(1.长春工程学院 勘查与测绘工程学院,长春 130021;2.长春师范大学 物理学院,长春 130032;3.吉林大学 材料科学与工程学院,长春 130012)

基于密度泛函理论的VASP软件包,研究CrTe和MnTe晶胞的稳定性和电磁性能,并对比具有相同结构的CrTe和MnTe在稳定性和电磁性能方面的差异.结果表明,稳态的CrTe为具有NiAs结构的铁磁体,其闪锌矿结构(ZB)、纤锌矿结构(W)和岩盐结构(RS)为亚稳态结构,该亚稳态结构均为半金属性质.

稀磁半导体；第一性原理；能带结构；磁性

稀磁半导体(DMS)具有半导体和磁性的特点,与普通磁性物质相比,其磁性较弱[1-2].稀磁半导体主要包括La系稀土元素且具有NaCl结构的硫化物和具有尖晶石结构的三元化合物[3-6].Ⅱ-Ⅳ族的稀磁半导体具有良好的铁磁性质,但其居里温度低于室温,Ⅲ-Ⅴ族的化合物易形成团簇状,不利于稀磁半导体生长.文献[7]利用分子束外延技术在衬底上进行非平衡生长,促进了人们对稀磁半导体的研究.文献[8-9]研究了纯净半金属性稀磁半导体CrTe的磁性和电学性质的第一性原理,发现其自旋向上具有金属性质而自旋向下是半导体性质,在Fermi能级附近具有带隙.CrTe的基态具有NiAs型六角结构(NA),其闪锌矿结构(ZB)、纤锌矿结构(W)和岩盐结构(RS)为亚稳态结构[10-11].本文构建了CrTe(NiAs,RS,ZB,W)和MnTe(NiAs,ZB)的晶格结构,并分别对CrTe和MnTe的RS结构、ZB结构和NA结构的稳定性、电子结构和磁性进行研究,对比其结构差异,进而得到其电子结构和磁性的差异.

1 理论计算

先分别建立具有闪锌矿和纤锌矿晶格结构的CrTe和MnTe,再利用VASP软件包分别计算其能带结构、态密度(DOS)、分波态密度(PDOS)和各原子的磁矩及总磁矩.闪锌矿采用2×1×1晶胞(8个Cr原子和8个Te原子),纤锌矿结构采用2×2×1超晶胞(8个Cr原子和8个Te原子),岩盐结构采用2×1×1超晶胞(8个Cr原子和8个Te原子).在能带计算过程中,闪锌矿和纤锌矿的能带计算分别选用原胞和晶胞形式进行计算,考虑到原子核和电子间的相互关系,使用基于密度泛函理论的离散Fourier变换(DFT)投影缀加平面波(PAW)赝势处理,关联效应采用局域密度近似(LDA),截止能(ENCUT)为700 eV,用Monkhorst-Pack方法取Brillouin区的K点.在优化结构过程中,加自旋(ISPIN)=2表示进行磁性优化,根据Hund规则取Cr和Te的初始磁矩分别为4,0 μB.K点选用线型模式研究能带结构,高对称点的积分路径为G-K-H-A-G-M-L-A,高对称点的坐标分别为G(0,0,0),K(-0.33,0.66,0),H(-0.33,0.66,0.5),A(0,0,0.5),M(0,0.5,0),L(0,0.5,0.5).态密度计算选用的K点为15×15×7.

2 结果与讨论

2.1CrTe和MnTe结构的稳定性

CrTe可能稳定存在4种结构:闪锌矿结构、NiAs结构、岩盐结构和纤锌矿结构,其模型如图1所示.由图1(A)可见,晶胞中有8个Te原子位于Cr原子组成的四面体体心,晶格常数a=b=c=0.627 46 nm,α=β=90°,γ=120°；由图1(B)可见,晶胞由4个原子构成,晶格常数a=b=0.442 nm,c=0.742 nm,α=β=90°,γ=120°；由图1(C)可见,晶格常数a=b=0.427 856 nm,c=0.645 38 nm,α=β=90°,γ=120°;图1(D)的岩盐结构即NaCl结构,晶胞由4个Cr原子和4个Te原子组成,晶格常数a=b=c=0.585 58 nm,α=β=γ=90°.

图1 CrTe的闪锌矿结构(A)、纤锌矿结构(B)、NiAs结构(C)和岩盐结构(D)Fig.1 Four structures of CrTe with zinc-blende (A),wurtzite (B),NiAs (C),rock salt (D)

通过计算总能量可初步判断其结构的稳定性.在常规算法中令NSW=0,即不做离子步运算.在LDA+U方法中,U为经验参数,通过与电子能谱对比的方法可确定U值.通过静态计算所得体积-能量曲线如图2所示,其中图2(A)和(B)分别为LDA+U算法和常规算法所得CrTe的体积-能量收敛曲线.由图2可见,其存在能量最低点.用原胞的平均能量进行比较,数据处理后的结果列于表1.由表1可见,交换常数对结构总能量的影响较大,因此在计算中需考虑交换常数,总能量为EZB

图2 LDA+U算法(A)和常规算法(B)的CrTe体积-能量收敛曲线Fig.2 Volume-energy convergence curves of CrTe by LDA+U algorithm (A)and normal algorithm (B)

表1 不同算法得到不同结构的最低能量(eV)Table 1 The lowest energies (eV)of different structures by different algorithms

通过静态计算所得MnTe体积-能量曲线如图3所示.由图3可见,MnTe的ZB结构低于NiAs结构总能量.CrTe和MnTe的闪锌矿结构、岩盐结构和NiAs结构能量较低.CrTe和MnTe形成能的表达式分别为E形成=ECrTe-ECr-ETe和E形成=EMnTe-EMn-ETe.若形成能小于零,则材料处于基态；若形成能大于零,则材料处于亚稳态或未形成该材料.形成能的计算结果列于表2.

Fig.3 MnTe的LDA+U算法(A)和常规算法(B)的体积-能量曲线Fig.3 Volume-energy convergence curves of MnTe by LDA+U algorithm (A)and normal algorithm (B)

表2 CrTe和MnTe各种结构的形成能(eV)Table 2 Formation energies (eV)of different structures for CrTe and MnTe

2.2CrTe和MnTe的电子结构

NiAs结构CrTe的能带结构如图4所示,其中图4(A)和(B)分别表示自旋向下和自旋向上电子沿高对称点的能带结构.

图4 NiAs结构CrTe的能带结构Fig.4 Spin band structures of NiAs structure for CrTe

由图4可见:NiAs结构的CrTe具有半金属性质,其自旋向下的电子呈半导体性质,由于价带的最高点在高对称点G处Fermi能级附近,导带的最低点在高对称点M处,因此其为间接带隙半导体;自旋向上的电子呈金属性质,其Fermi能级穿过能带,不存在带隙;自旋向下电子的半金属带隙为1.44 eV.NiAs结构CrTe的态密度如图5所示,其中图5(A)～(C)分别对应总态密度、Cr的分波态密度和Te的分波态密度.由图5(A)可见,自旋向上和自旋向下电子的态密度不对称,即该物质具有磁性；由图5(B)和(C)可见,Fermi能级附近的态密度主要由Te原子的4p态组成,价带主要由Te原子的4p电子态和3d电子态组成.

图5 NiAs结构CrTe的态密度 Fig.5 Densities of states of NiAs structure for CrTe

RS结构CrTe的能带结构如图6所示,其中图6(A)和(B)分别表示自旋向下和自旋向上电子沿高对称点的能带结构.由图6可见:RS结构的CrTe具有半金属性质,其自旋向下的电子呈半导体性质,由于价带顶和导带底均在高对称点G处,因此其为直接带隙半导体;自旋向上电子组成的能带呈金属性质,其带隙为1.96 eV.

图6 RS结构的CrTe的能带结构Fig.6 Spin band structures of RS structure for CrTe

RS结构CrTe的态密度如图7所示.由图7可见：RS结构的CrTe具有磁性;Fermi能级附近的态密度主要由Te原子的5p电子态组成,价带主要由Te原子的5p电子态和4d电子态组成.ZB结构CrTe的能带结构如图8所示,其中图8(A)和(B)分别表示自旋向下和自旋向上电子沿高对称点的能带结构.由图8可见:ZB结构的CrTe具有半金属性质,由于自旋向下电子组成的能带价带顶和导带底均在高对称点G处,因此其为直接带隙半导体;自旋向上电子组成的能带穿过Fermi能级,导带和价带重合,使其具有金属性质；自旋向下电子组成的半金属带隙为3.34 eV.

ZB结构CrTe的态密度如图9所示.由图9可见：ZB结构的CrTe具有磁性;Fermi能级附近的态密度主要由Cr原子的3d态和4p态组成,价带主要由Cr原子的4s和4p态组成.

图7 RS结构CrTe的态密度Fig.7 Densities of states of RS structure for CrTe

图8 ZB结构的CrTe能带结构Fig.8 Spin band structures of ZB structure for CrTe

图9 ZB结构CrTe的态密度Fig.9 Densities of states of ZB structure for CrTe

W结构CrTe的能带结构如图10所示,其中图10(A)和(B)分别表示自旋向下和自旋向上电子沿高对称点的能带结构.由图10可见:W结构的CrTe具有半金属性质,由于自旋向下电子组成的能带价带顶和导带底均在高对称点G处,因此其为直接带隙半导体；自旋向上电子组成的能带呈金属性质,自旋向下电子的半金属带隙为3.65 eV.W结构CrTe的态密度如图11所示.由图11可见：W结构的CrTe具有磁性;Fermi能级附近的态密度主要由Te原子的5p和4d电子态组成.

图10 W结构CrTe的能带结构Fig.10 Spin band structures of W structure for CrTe

图11 W结构CrTe的态密度Fig.11 Densities of states of W structure for CrTe

NiAs结构MnTe的能带结构如图12所示,其中图12(A)和(B)分别表示自旋向下和自旋向上电子沿高对称点的能带结构.由图12可见,NiAs结构的MnTe具有金属性质,这是由于自旋向上和自旋向下电子均未产生带隙,Fermi能级穿过能带且价带和导带重合所致.NiAs结构MnTe的态密度如图13所示.由图13可见,自旋向上和自旋向下的电子态密度不对称,即该物质具有磁性.

ZB结构MnTe的能带结构如图14所示,其中图14(A)和(B)分别表示自旋向下和自旋向上电子沿高对称点的能带结构.由图14可见:ZB结构的MnTe具有半导体性质,自旋向上和自旋向下电子组成的能带结构均产生直接带隙,且价带顶和导带底均在高对称点G处;自旋向下电子的带隙为2.73 eV,自旋向上电子的带隙为1.08 eV.ZB结构MnTe的态密度如图15所示.由图15可见:自旋向下和自旋向上电子在Fermi能级附近的态密度均为零,表明其具有半导体性质;在Fermi能级附近的价带主要有Mn原子的3p电子和3d电子组成,导带主要由Te原子的5s电子和4d电子组成.

2.3CrTe和MnTe结构的磁性

进行静态计算时,设ISPIN=2,并根据Hund规则设Mn,Cr,Te的原子初始磁矩分别为4,4,0 μB,通过计算所得CrTe和MnTe各种结构的平均总磁矩列于表3.由表3可见,CrTe和MnTe各种结构的磁矩接近Cr原子和Mn原子的磁矩,Te原子对磁矩贡献较小.

图12 NiAs结构MnTe的能带结构Fig.12 Spin band structures of NiAs structure for MnTe

图13 NiAs结构MnTe的态密度Fig.13 Densities of states of NiAs structure for MnTe

图14 ZB结构MnTe能带结构Fig.14 Spin band structures of ZB structure for MnTe

图15 ZB结构MnTe的态密度Fig.15 Densities of states of ZB structure for MnTe

表3 CrTe和MnTe不同结构的总磁矩(μB)Table 3 Total magnetic moments (μB)of different structures for CrTe and MnTe

综上,本文可得如下结论:1)CrTe可能存在的4种晶格结构为性能优良的稀磁半导体,4种结构的稳定性为NiAs>RS>ZB>W,MnTe的稳定性为NiAs>ZB;2)CrTe和MnTe不同结构对应的总磁矩均与Cr原子和Mn原子总磁矩接近,即两种结构的磁矩均主要由金属原子贡献,非金属原子Te对磁矩贡献较小；4种不同结构的CrTe均呈良好的半金属性质,MnTe的NiAs结构呈金属性质,ZB结构呈半导体性质.

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(责任编辑：王 健)

MicrostructureandElectromagnetismPropertiesofMnTeandCrTeDilutedMagneticSemiconductor

XU Qiang1,YANG Guangmin2,3,XING Guangzong3

(1.SchoolofProspectingandSurveying,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130021,China;2.CollegeofPhysics,ChangchunNormalUniversity,Changchun130032,China;3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

Diluted magnetic semiconductors (DMS)which are used as spin-electron devices have been researched popularly because of their excellent electronic and magnetic properties.We used VASP code based on the density functional theory to calculate the stability,electronic and magnetic properties of the unit cell of CrTe,MnTe and compared the stability,electric and magnetic properties of CrTe with those of MnTe with the same structure as that of CrTe.We found that the stable state of CrTe exibits the NiAs-type hexagonal structure.The metastable state of it displays three structures called zinc-blende structure,wurtzite structure and rock salt structure,the three structures are all half metallic properties.

diluted magnetic semiconductors;the first principle;band structure;magnesium

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2015.03.38

2014-12-21.

徐 强(1981—),男,汉族,硕士,讲师,从事凝聚态物理的研究,E-mail:xuqiang19810919@163.com.通信作者:杨光敏(1981—),女,汉族,博士,副教授,从事凝聚态物理的研究,E-mail:249138087@qq.com.

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(批准号:2014-250)和吉林省自然科学基金(批准号:2014-0101061JC).

O484

：A

：1671-5489(2015)03-0553-08