Electronic Structure of ZnS Crystal Doped with One or Two Transition Metal Atoms (Cr, Fe)

Abstract

Розраховані електронні і магнітні властивості кристала ZnS з домішками перехідних 3d елементів Cr та Fe, які заміщують атоми Zn. Розрахунки виконані у надкомірках 2×2×2, які містять 64 атоми. Розглянуті також ці ж надкомірки, які містять одночасно домішки Cr та Fe. Встановлено, що енергії 3d електронів атома Cr зі спіном вгору у надкомірці Zn31Cr1S32 локалізовані у вузьких інтервалах в околі рівня Фермі та верху валентної зони. Для станів зі спіном униз цей матеріал виявляє властивості напівпровідника з шириною прямої забороненої зони 2,11 еВ. Магнітний момент надкомірки становить 4 μB. Результати розрахунку для надкомірки Zn31Fe1S32 показують, що цей матеріал є прямозонними напівпровідником, ширина міжзонної щілини якого в точці Γ дорівнює 1,96 еВ. 3d електрони зі спінами униз локалізовані у вузьких енергетичних смугах в околі рівня Фермі та дна зони провідності. Значення псевдощілини для електронів зі спіном униз дорівнює 0,53 еВ. Магнітний момент надкомірки також дорівнює 4 μB. З результатів розрахунку для надкомірки Zn30Cr1Fe1S32 знайдено, що 3d електрони атома Cr зі спіном вгору локалізовані в околі верху валентної зони та рівня Фермі, який знаходиться всередині валентної зони. Значення оптичної щілини в точці Γ дорівнює 0,60 еВ, а непрямої фундаментальної щілини (Γ – R) – 0.59 еВ. Значення псевдощілини для електронів зі спінами вниз дорівнює 0,60 еВ. Магнітний момент надкомірки дорівнює 8.04 µB. Розрахунки виконані за допомогою програми ABINIT. Для усунення помилки на самодію 3d електронів атомів Cr та Fe застосований гібридний обмінно-кореляційний функціонал PBE0.

The electronic and magnetic properties of ZnS crystal with impurities of transition 3d elements Cr and Fe, which replace Zn atoms, are calculated. The calculations are performed in 2×2×2 sphalerite supercells containing 64 atoms. The same supercells, which contain both Cr and Fe impurities, are also considered. It is established that energies of 3d electrons of the Cr atom with spin up in the Zn31Cr1S32 supercell are localized in narrow energy intervals around the Fermi level and at the top of the valence band. For spindown states, this material exhibits the properties of a semiconductor with a direct band gap of 2.11 eV. The magnetic moment of the supercell equals to 4 μB. The results of the calculation for the Zn31Fe1S32 supercell show that this material is a direct-band semiconductor with the width of the band gap at the Γ point of about 1.96 eV. 3d electrons with spin down are localized in narrow energy bands near the Fermi level and at the bottom of the conduction band. The pseudogap value for electrons with spin down is 0.53 eV. The magnetic moment of the supercell is also equal to 4 μB. It is found from the results of the calculation for the Zn30Cr1Fe1S32 supercell that 3d electrons of the Cr atom with spin up are localized in the vicinity of the top of the valence band and the Fermi level, which is inside the valence band. The optical gap at the Γ point is equal to 0.60 eV and the indirect fundamental gap (Γ – R) is 0.59 eV. The pseudogap value for electrons with spin down is 0.60 eV. The magnetic moment of the supercell equals 8.04 μB. The calculations are performed using the ABINIT program. The hybrid exchange-correlation functional PBE0 is used to eliminate the self-interaction error of Cr and Fe 3d electrons.