GaN纳米线缺陷形成和磁性研究

王宇鹏

(渤海大学 高职学院，辽宁 锦州 121013)



GaN纳米线缺陷形成和磁性研究

王宇鹏

(渤海大学 高职学院，辽宁 锦州 121013)

摘要：利用第一性原理研究了Co掺杂GaN纳米线缺陷形成能和磁性质.一方面分析了Co杂质取代Ga和N的形成能，计算表明Co优先取代GaN纳米线表面的Ga原子.另一方面通过计算8个不同几何结构在铁磁和反铁磁态下的自由能，分析了Co掺杂GaN纳米线的磁性质，结果表明在基态下纳米线具有铁磁稳定性.

关键词：第一性原理; 半导体; 磁性; 缺陷

0引言

稀磁半导体中电子电荷和自旋属性都能被控制，因此稀磁半导体具有潜在的应用前景.近来，GaN和ZnO等宽带隙半导体的稀磁特性引起了关注.先前人们对Mn掺杂GaN做了更多研究工作.Huang等发现在Mn掺杂GaN 薄膜中，Mn-Mn相互作用显现反铁磁稳定性〔1〕.Zhang 等发现Mn掺杂GaN磁性质能被空穴载流子调制〔2〕.近来Co掺杂GaN的稀磁特性也引起了广泛关注，尽管目前已对Co掺杂GaN磁性质进行了研究，然而对Co掺杂GaN磁性质起源仍然存在争议.例如，Lee 等将Co注入了p型GaN中，在320 K时观察到了铁磁性，他们建议Co 掺杂GaN的铁磁性能被空穴调制〔3〕，然而Husnain 等在n型Co掺杂GaN中发现了铁磁特性〔4〕.Xu等指出Co掺杂GaN中的铁磁性主要来源于缺陷〔5〕.

随着实验技术的发展，一维GaN材料已经被合成了，具体包括纳米线、纳米管.因此研究GaN纳米线中缺陷形成以及磁相互作用是十分必要的.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了Co掺杂GaN 纳米线的缺陷形成和磁性质，具体研究内容包括缺陷在GaN纳米线中的形成能；Co在GaN纳米线中的铁磁和反铁磁耦合特性.

1计算模型和方法

GaN 纳米线模型构建如下：首先我们建立一个20 Å3×20 Å3×10.41 Å3正交的晶胞，然后参照GaN晶体结构沿c轴方向交替添加Ga和N原子形成GaN 纳米线，纳米线结构见图1.构建的GaN纳米线共包含96个原子，可表示为Ga48N48.为了避免纳米线之间的相互作用，使GaN纳米线之间的距离大于10Å.采用基于密度泛函理论和平面波赝势技术的第一性原理程序研究了Co掺杂GaN 纳米线中缺陷的形成能和磁性质.交换关联函数采用局域密度近似.本文采用超软赝势来描述离子实与价电子之间的相互作用.选取Co、Ga、N原子价电子组态分别为 3d74s2、3d104s24p1、2s22p3,平面波截断能设置为340 eV,对Brillouin区的积分计算使用了Monkhorst-Pack方案，k点选取为1×1×2.为了分析Co原子在GaN纳米线的占据情况，我们首先分析了Co 原子在不同位置的形成能,然后分析了二个Co原子掺杂的GaN纳米线中铁磁态和反铁磁态自由能.我们研究了8种几何结构中Co原子磁性耦合，这些几何结构按照Co原子分布可分为三组，第一组:两个Co原子占据纳米线的内部；第二组:一个Co 原子占据纳米线内部，一个Co 原子占据纳米线表面；第三组:两个Co原子都占据纳米线表面.本文所有的计算都是在对纳米线内坐标优化的情况下进行的.模型优化采用了BFGS算法，自恰收敛参数有三个，能量收敛标准设为 5×10-6eV/原子；原子间相互作用力收敛标准设为 0.01 eV/Å；原子最大位移收敛标准设为5×10-4Å.

2结果与讨论

2.1Co掺杂GaN纳米线中缺陷形成能

缺陷形成能大小可以反映缺陷形成的难易程度，GaN纳米线中缺陷形成能可以由如下公式得出〔6〕.

其中E(α)表示纳米线中包含缺陷 α 时的自由能，E(GaN)表示纯净GaN纳米线的自由能，nα表示缺陷的数目，纳米线中去掉一个原子，nα=+1；添加一个原子，nα=-1.μα是表示元素化学势，Δμα表示相对化学势.GaN纳米线形成焓的计算值为：ΔH(GaN)=ΔμGa+ΔμN=-1.282 eV，该结果与文献的-1.240 eV〔7〕很接近.N富极限假设ΔμN=0；Ga富极限假设ΔμGa=0，且假设在N富或Ga富极限下ΔμCo=0.

图2 给出了形成能的计算结果，如果Co取代Ga，那么Co杂质在N富极限有更低的形成能；如果Co取代N，那么Co杂质在Ga富极限下有更低的形成能.由于Co杂质在纳米线表面具有更低的形成能，因此Co杂质优先取代纳米线表面的Ga原子.文中也研究了Ga，N空位和间隙的形成能.在纳米线中Ga，N有两类间隙位置，分别是四面体和八面体间隙点.由于Ga原子具有较大的原子半径，较难形成Ga空位，因此VGa形成能较高.同理Ga在八面体间隙点的形成能也很高〔8〕.由于在四面体的Ga间隙发生劈裂，最后形成稳定的间隙，因此Ga间隙在四面体的形成能较低.N的原子半径相对较小，因此N间隙和空位的形成能小于Ga的形成能〔8〕.图3给出了缺陷形成能随N化学势的变化情况，可以看出CoGa(B)和CoGa(S)形成能随着N化学势的增加而降低.而CoN(B)，VN(B) 和 IGa(tet) 的形成能随着N化学势的增加而升高，也可以看出CoGa(S)和IGa(tet)在整个N化学势范围内的形成能都比较低，因此它们相对较容易形成.

图2GaN 纳米线中缺陷形成能.CoGa(B)和CoGa(S)分别表示Co取代纳米线内部和表面的Ga原子.CoN(B)表示Co取代纳米线内部的N.VGa(B)和VN(B)分别表示Ga和N空位.IGa(oct) 和 IN(oct) 分别表示八面体位置的Ga和N间隙.IGa(tet) 和 IN(tet) 分别表示四面体位置的Ga和N间隙

2.2Co掺杂GaN的磁性质

为了分析Co掺杂GaN的磁性性质，我们用两个Co原子取代Ga原子分析了Co掺杂GaN在铁磁和反铁磁态下的自由能，表1给出了计算结果，其中ΔE表示系统在铁磁和反铁磁态下自由能的差值，ΔE<0表示系统具有铁磁稳定性，ΔE>0表示系统具有反铁磁稳定性.从表1中可以看出几何结构1，4，5和8具有铁磁耦合稳定性；几何结构2，3和7具有反铁磁耦合稳定性；几何结构6显示非磁特性.对于结构Co5(S)-Co8(S)两个Co原子占据纳米线表面并沿着c轴最近邻分布，系统显示最低能量，因此Co5(S)-Co8(S)被称为铁磁基态.对于结构Co4(S)-Co5(S)，两个Co原子占据纳米线表面并在ab平面最近邻分布，系统磁矩为零.图4显示了铁磁基态的自旋分波态密度.从图中我们可以看出Co 3d和N 2p发生杂化，这将导致Co电子态在费米能级处发生自旋极化.Co 3d 和 N 2s 在价带低能部分发生杂化，然而我们不能发现它们发生自旋极化.

3结论

一方面分析了Co掺杂GaN纳米线的形成能，发现Co杂质优先取代纳米线表面的Ga原子.由于Ga原子有更大的原子半径，因此Ga 空位和Ga在八面体间隙点的形成能大于N原子的形成能.我们也发现Ga在四面体间隙，几何优化后形成劈裂，最后形成稳定结构.另一方面我们研究了纳米线的磁性质，发现基态下Co掺杂纳米线具有铁磁稳定性.

表1　Co掺杂GaN中不同几何结构下铁磁和反铁磁态下系统自由能，Co原子磁矩以及Co原子间距；ΔE表示铁磁和反铁磁态下系统自由能的差值

参考文献:

〔1〕HUANG G Q,WANG J X.Magnetic behavior of Mn-doped GaN (11-00) film from first-principles calculations〔J〕.Journal of Applied Physics,2012,111(4): 043907.

〔2〕ZHANG X W,LI J,CHANG K,et al.Hole mediated magnetism in Mn-doped GaN nanowires〔J〕.Journal of Applied Physics,2011,109(7): 4313.

〔3〕LEE J S,LIM J D,KHIM Z G,et al.Magnetic and structural properties of Co,Cr,V ion-implanted GaN〔J〕.Journal of applied physics,2003,93(8): 4512-4516.

〔4〕HUSNAIN G,TAO F,YAO S D.Structural and magnetic properties of Co+ implanted n-GaN dilute magnetic semiconductors〔J〕.Physica B: Condensed Matter,2010,405(9): 2340-2343.

〔5〕XU B,PAN B C.Effects of nitrogen vacancies on transition-metal-doped GaN: An ab initio study〔J〕.Journal of Applied Physics,2009,105(10): 103710.

〔6〕HUANG D,ZHAO Y J,CHEN D H,et al.Magnetism and clustering in Cu doped ZnO〔J〕.Applied Physics Letters,2008,92(18): 182509-182509.

〔7〕VAN de WALLE C G,NEUGEBAUER J.First-principles calculations for defects and impurities: Applications to III-nitrides〔J〕.Journal of Applied Physics,2004,95(8): 3851-3879.

〔8〕GAO F,BYLASKA E J,WEBER W J.Intrinsic defect properties in GaN calculated by ab initio and empirical potential methods〔J〕.Physical Review B,2004,70(24): 245208.

A study on defect formation and magnetic properties of GaN nanowires

WANG Yu-peng

(College of Higher Professional Technique,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Abstract：The defect formation energies and magnetic properties in Co doped GaN nanowires are investigated by the first principle.The formation energies of Co impurities are analyzed.It is found that Co prefers to occupy surface Ga site of nanowires.Ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AFM) coupling between Co atoms are also investigated by 8 different configurations.The results show Co doped GaN nanowires exhibit ferromagnetic stability under ground states.

Key words：the first principles; semiconductor; magnetic properties; defect

收稿日期：2016-01-18.

基金项目：国家自然科学基金项目(No：61274101).

作者简介：王宇鹏(1965-)，女，编审，主要从事物理理论方面的研究.

通讯作者：wang-yupeng@sohu.com.

中图分类号：O481.1,O561.1

文献标志码：A

文章编号：1673-0569(2016)02-0135-05