Domieszki metali przejściowych w ZnO: sprzężenie s, p - d

Aby zapoznać się z nagraniem referatu, należy skontaktować się z prof. Andrzejem Szewczykiem: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Półprzewodnik ZnO domieszkowany metalami przejściowymi (TM) jest przedmiotem szerokich badań doświadczalnych i teoretycznych dotyczących stanów ładunkowych i spinowych domieszki, a także przejść optycznych w krysztale. W szczególności, oddziaływanie s, p - d pomiędzy elektronami przewodnictwa/dziurami pasma walencyjnego a elektronami 3d domieszki stanowi jedną z istotnych charakterystyk rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych.

W wystąpieniu przedstawione zostaną wyniki obliczeń struktury elektronowej jonów metali przejściowych od Ti do Cu w ZnO otrzymane z teorii funkcjonału gęstości w ramach przybliżenia GGA+U [1]. Użycie poprawek +U dla elektronów na powłokach d(TM) oraz p(O) pozwala na odtworzenie zarówno struktury pasmowej czystego ZnO, jak i poziomów domieszkowych TM. Znajomość rozszczepienia stanów pasmowych w domieszkowanym ZnO pozwala zaś na analizę oddziaływań magnetycznych s, p - d.

Stała wymiany N0α dla oddziaływań s - d jest prawie taka sama dla wszystkich jonów TM. Z kolei, stała sprzężenia N₀β dla oddziaływań p - d zależy zarówno od domieszki jak i jej stanu ładunkowego. Idąc od V do Cu, stała N₀β silnie rośnie co jest bezpośrednio związane z położeniem stanów domieszkowych względem wierzchołka pasma walencyjnego. Ponadto, dla Fe, Co i Ni, znak N0 zależy od stanu ładunkowego domieszki: N₀ jest dodatnie wskazując na ferromagnetyczne oddziaływanie p - d dla jonów TM²⁺ (q = 0), N₀ jest ujemne a oddziaływanie p - d antyferromagnetyczne dla jonów TM³⁺ (q = 1). Ponadto, stała N0 może być inna dla lekkich dziur i ciężkich dziur a nawet mieć przeciwny znak. Uzyskane wyniki wskazują na silne oddziaływania kulombowskie na powłoce 3d, które wpływają na zależność położenia poziomów domieszkowych od ich stanu ładunkowego, a tym samym na oddziaływania p - d.

Na koniec, wyniki teoretyczne uzyskane dla sprzężeń będą porównane z doświadczeniem.

[1] A. Ciechan and P. Bogusławski, Scientific Reports (2021) 11:3848.