The Spin-Polarized Properties of Ni-Doped ZnSe: First-Principles Simulation and Modelling
Анотація
У цьому дослідженні проведено всебічний ab initio аналіз електронних та магнітних властивостей систем ZnSe, легованих нікелем, досліджених при трьох концентраціях домішок – 3.125 %, 6,25% та 12,5%. Аналіз виконано за допомогою теорії функціонала густини (DFT) у рамках локального наближення спінової густини (LSDA), доповненого корекціями Габбарда U для точного врахування сильних ефектів електронної кореляції, характерних для d-орбіталей перехідних металів. Введення атомів Ni в решітку ZnSe суттєво змінює електронну структуру, викликаючи напівметалічну поведінку та виражену спінову поляризацію. Загальний магнітний момент становить приблизно 4,0 µB на суперкомірку. Крім того, порівняння енергій ферромагнітного та антиреферромагнітного станів показало, що ферромагнітна фаза є більш стабільною з енергетичної точки зору. Ці результати підкреслюють потенціал ZnSe, легованого Ni, для застосування у спінтроніці, де критично важливим є точний контроль магнітних та електронних властивостей.
Завантаження
Посилання
L. Liu, et al.: “Oxygen vacancies: the origin of n type conductivity in ZnO,” Physical Review B, 93, 235305 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.235305
E. A. Zhukov, et al.: “Spin coherence of electrons and holes in ZnSe-based quantum wells studied by pump–probe Kerr rotation,” Physica Status Solidi B, 251(9), 1872-1880 (2014). https://doi.org/10.1002/pssb.201350233
L. Ławniczak-Jabłońska, et al.: “Correlation between XANES of the transition metals in ZnS and ZnSe and their limit of solubility,” Physica B: Condensed Matter, 208, 497-502 (1995). https://doi.org/10.1016/0921-4526(94)00732-B
D. Theis, “Electronic structure of ZnSe,” Physica Status Solidi (b), 79, 125 (1977). https://doi.org/10.1002/pssb.2220790112
G. P. Yablonskii, et al.: “Optically-Pumped Lasing of Doped ZnSe Epitaxial Layers Grown by Metal-Organic Vapour-Phase Epitaxy,” Physica Status Solidi (a) 159, 543-557 (1997). https://doi.org/10.1002/1521-396X(199702)159:2%3C543::AID-PSSA543%3E3.0.CO;2-S
W. Y. Liang and A. D. Yoffe: “Electronic structure of II–VI compounds,” Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 300, 326 (1967).
B. Pejova, “The higher excited electronic states and spin–orbit splitting of the valence band in three-dimensional assemblies of close-packed ZnSe and CdSe quantum dots in thin film form,” Journal of Solid State Chemistry, 181(8), 2041-2048 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jssc.2008.03.038
T. Dietl, H. Ohno, and F. Matsukura, “Hole-mediated ferromagnetism in tetrahedrally coordinated semiconductors,” Physical Review B, 63, 195205 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.195205
M. Tanaka and Y. Higo, “Large tunneling magnetoresistance in GaMnAs/AlAs/GaMnAs ferromagnetic semiconductor tunnel junctions,” Physical Review Letters, 87(2), 026602 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.026602
S. A. Wolf, et al.: “Spintronics: A spin-based electronics vision for the future,” Science, 294(5546), 1488-1495 (2001). https://doi.org/10.1126/science.1065389
D. D. Awschalom and M. E. Flatté, “Challenges for semiconductor spintronics,” Nature Physics, 3(3), 153-159 (2007). https://doi.org/10.1038/nphys551
K. Sato, et al.: “First-principles theory of dilute magnetic semiconductors,” Reviews of Modern Physics, 82(2), 1633-1690 (2010). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1633
F. Goumrhar, et al.: “Ab-initio calculations for the magnetic properties of TM(Ti,V)-doped zinc-blende ZnO,” International Journal of Modern Physics B, 32, 1850025 (2018). https://doi.org/10.1142/S021797921850025X
B. Xiao, et al.: “Optical and electrical properties of vanadium-doped ZnTe crystals grown by the temperature gradient solution method,” Optical Materials Express, 8, 431-439 (2018). https://doi.org/10.1364/OME.8.000431
W. Benstaali, et al.: “Ab-initio study of magnetic, electronic and optical properties of ZnSe doped-transition metals,” Materials Science in Semiconductor Processing, 16, 231 (2013). http://dx.doi.org/10.1016/j.mssp.2012.10.001
C. Kim, et al.: “Middle-infrared random lasing of Cr2+ doped ZnSe, ZnS, CdSe powders, powders imbedded in polymer liquid solutions, and polymer films,” Optics Communications, 282, 2049-2052 (2009). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2009.02.023
J.E. Williams, et al.: “Mid-IR laser oscillation in Cr2+:ZnSe planar waveguide,” Optics Express, 18, 25999-26006 (2010). https://doi.org/10.1364/OE.18.025999
N. Myoung, et al.: “Energy scaling of 4.3 μm room temperature Fe: ZnSe laser,” Optics Letters 36, 94-96 (2011). https://doi.org/10.1364/OL.36.000094
I.S. Moskalev, V.V. Fedorov, S.B. Mirov, “10-Watt, pure continuous-wave, polycrystalline Cr2+:ZnS laser,” Optics Express, 17, 2048-2056 (2009). https://doi.org/10.1364/oe.17.002048
V.I. Kozlovsky, et al.: “Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II–VI compound crystals grown from vapor phase,” Physica Status Solidi B, 247, 1553-1556 (2010). http://dx.doi.org/10.1002/pssb.200983165
S.ZH. Karazanov, et al.: “Electronic structure and optical properties of ZnX (X=O, S, Se, Te): A density functional study,” Physical Review B, 75, 155104 (2007). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.75.155104
K. Sato, and H. Katayama-Yoshida, “Ab initio Study on the Magnetism in ZnO-, ZnS-, ZnSe and ZnTe-Based Diluted Magnetic Semiconductors,” Physica Status Solidi (b), 229, 673-680 (2002). https://doi.org/10.1002/1521-3951(200201)229:2%3C673::AID-PSSB673%3E3.0.CO;2-7
Q. Mahmood, et al.: “The study of electronic, elastic, magnetic and optical response of Zn1-xTixY (Y = S, Se) through mBJ potential,” Current Applied Physics, 16, 549-561 (2016). https://doi.org/10.1016/j.cap.2016.03.002
S. Arif, et al.: “Investigation of half metallicity in Fe doped CdSe and Co doped CdSe materials,” Current Applied Physics, 12, 184-187 (2012). https://doi.org/10.1016/j.cap.2011.05.034
V.N. Jafarova, “Study the electronic and magnetic properties of Mn-doped wurtzite ZnSe using first-principle calculations,” Indian Journal of Physics, 97, 2639-2647 (2023). http://dx.doi.org/10.1007/s12648-023-02598-y
P. Hohenberg, and W. Khon, “İnhomogeneous electron gas,” Physical Review B, 136, 864-871 (1964). https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864
D.M. Ceperley, and B.J. Alder, “Ground state of the electron gas by a stochastic method,” Physical Review Letters, 45, 566-569 (1980). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.45.566
M. Cococcioni, and S. De Gironcoli, “Linear response approach to the calculation of the effective interaction parameters in the LDA+U method,” Physical Review B, 71, 035105 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.035105
V.N. Jafarova, “Ab-initio calculation of structural and electronic properties of ZnO and ZnSe compounds with wurtzite structure,” International Journal of Modern Physics B, 36, 2250156 (2022). https://doi.org/10.1142/S0217979222501569
V.N. Jafarova, and M.A. Musaev, “First-principles study of structural and electronic properties of ZnSe with wurtzite structure,” Technium: Romanian Journal of Applied Sciences and Technology, 6, 42-46 (2023).
R.W.G. Wyckoff, Crystal Structures, Second Edition, (Interscience Publishers, New York, 1963). https://search.worldcat.org/search?q=au=%22Wyckoff%2C%20R.%20W.%20G.%22
V.N. Jafarova, and H.S. Orudzhev, “Structural and electronic properties of ZnO: A first-principles density-functional theory study within LDA(GGA) and LDA(GGA)+ U methods,” Solid State Communnications, 325, 114166 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2020.114166
R. D. Shannon, “Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides,” Acta Crystallographica Section A, 32(5), 751-767 (1976). https://doi.org/10.1107/S0567739476001551
Авторське право (c) 2025 В.Н. Джафарова, А.Н. Джафарова, А.Дж. Ахмадова
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
