Chalcopyrite Al(Ga, Mn)As2 and AlGa(As, P) Quaternary Semiconductor: A First-principle Study

Abstract

Досліджено електронні та магнітні властивості розбавленого магнітного напівпровідника халькопіритних сплавів AlGaAs2 та AlGa(AsxP1 – x)2 з легованим 3d-металом Mn, використовуючи перші принципи. Халькопіритні чотирьохкомпонентні сполуки AlGaAs2 and AlGa(As, P) мають напівпровідникові характеристики і невелику заборонену зону. Для системи халькопіриту Al(Ga, Mn)As2, феромагнетизм з високим магнітним моментом Mn виникає з обмінних зв'язків між Mn 3d- and As 4s-, or As 3d-смугами. Моменти Mn приєднуються до дірок шляхом обмінної взаємодії за рахунок перекриття хвильової функції дірки з d-орбіталями локальних Mn-електронів. Вихідні отвори Al і Ga-ділянок ферромагнітно з'єднуються з локальними Mn-моментами за допомогою обмінної взаємодії. У той час як прохідні отвори в As 3d-, або As 4s-смугах вирівнюються антиферомагнітно до локальних моментів Mn за допомогою обмінних взаємодій. При концентрації легуючих домішок більшою ніж розбавлена концентрація, далекодіючий феромагнітний стан між локальними моментами встановлюється мандруючими дірками. Цей механізм зазвичай позначається як ферромагнетизм, опосередкований дірками. Далекодіючий феромагнетизм серед локальних моментів Mn визначається досить високою щільністю дірок частково незайнятої більшості As 3d- та As 4s смуг, за допомогою обмінної взаємодії між легуючою домішкою Mn і локалізованими носіями, які потрапили в інтерстиціальні ділянки. Al(Ga, Mn)As2 демонструє феромагнітні і напівметалеві стани. При збільшенні концентрації Mn (до 6.25 % у нашій роботі) зберігаються феромагнітні та напівметалічні характеристики.

The electronic and magnetic properties for a diluted magnetic semiconductor of 3d-metal Mn-doped AlGaAs2 and AlGa(AsxP1 – x)2 chalcopyrite alloys are investigated by using the first-principle calculations. The chalcopyrite AlGaAs2 and AlGa(As, P) quaternary compounds have semiconductor characters with a small band-gap. For the system of Al(Ga, Mn)As2 chalcopyrite, the ferromagnetism with high magnetic moment of Mn is originated from the exchange couplings between Mn 3d- and As 4s-, or As 3d-bands. The Mn moments couple to holes by an on-site exchange interaction due to the overlap of the hole wavefunction with the d-orbitals of the local Mn electrons. The itinerant holes of Al and Ga sites couple ferromagnetically to the local Mn-moments via the exchange interaction. While the itinerant holes in As 3d-, or As 4s-bands are aligned antiferromagnetically to the local Mn moments via the exchange interactions. When the concentration of dopants is high with over a dilute concentration, a long-range ferromagnetic state among the local moments is established by the itinerant holes. This mechanism is usually denoted as hole-carrier mediated ferromagnetism. A long-range ferromagnetism among the Mn local moments is established by the high enough hole densities of partially unoccupied majority of As 3d- and majority of As 4s-bands, by the exchange interaction between dopant Mn and the localized carriers trapped in the interstitial sites. The Al(Ga, Mn)As2 exhibits the ferromagnetic and half-metallic states. For the increasing Mn concentration (up to 6.25 % in our work), it is maintained the ferromagnetic and half-metallic characters.