21853

21853

برهمكنش ذرات مغناطيسي افزوده شده در نيمرساناهاي معدني و آلي

دكتري

فيزيك حالت جامد

1398/09/26

دكتر مهدي افشار ارجمند

فيزيك

نيمرساناهاي مغناطيسي رقيق يا به¬اختصار DMS پل ارتباطي بين مغناطيس و نيمرسانايي هستند. نيمرساناي مغناطيسي رقيق، يك نيمرساناي غيرمغناطيسي است كه با ميزان كمي ناخالصي مغناطيسي آلاييده شده است. غلظت كم يون¬ مغناطيسي موجب مي¬شود كه ساختار بلوري نيمرساناي ميزبان و خواص نيمرسانايي اوليه حفظ شود. بدين ترتيب افزودن كاركردهاي جديد با حفظ كاركردهاي قبلي، امكان استفاده از فناوري رايج صنعت الكترونيك به عنوان فناوري پايه و زيربنايي در اسپينترونيك را فراهم مي¬سازد. در حوزه اسپينترونيك آلي نيز اندازه¬گيري¬هاي مغناطش و مغناترابرد وجود فرومغناطيس در نيمرساناهاي آلي را آشكار كرده است. آناليز اين مواد، ناخالصي مغناطيسي به ميزان بسيار كم و در حد رقيق را نشان داده است. در مشابهت با نيمرساناهاي مغناطيسي رقيق معدني، اين نيمرساناهاي آلي در دسته جديدي به نام نيمرساناهاي مغناطيسي آلي رقيق يا DOMS قرار داده مي شوند. براي سنتز موفق يك نيمرساناي فرومغناطيس دما بالا با قابليت كنترل و تنظيم خواص نيمرسانايي و مغناطيسي ناگزير بايد درك درستي از منشأ و مكانيسم رفتار مغناطيسي اين تركيبات به¬دست آيد. در اين رساله تلاش شده است با استفاده از نظريه تابعي چگالي نسبيتي خواص ساختاري، الكتروني و مغناطيسي برخي از نيمرساناهاي مغناطيسي رقيق بررسي شوند. در حوزه تركيبات معدني، نيمرساناي مغناطيسي رقيق بر پايه اكسيدروي با ناخالصي منگنز و كبالت در حضور تهي¬جاي كاتيوني به صورت جفت همسايه نزديك يون مغناطيسي- تهي¬جا به صورت ZnO:(Co,vacancy) و ZnO:(Mn,vacancy) در رژيم نسبيتي اسكالر و با تابعي GGA+U براي در نظر گرفتن اثرات همبستگي الكتروني، بررسي شد. علاوه بر وجود ناخالصي مغناطيسي، ديگر نقص¬هاي ساختاري از جمله تهي¬جا نيز مي¬تواند در نيمرسانا مغناطيس القا كند. محاسبات مغناطيسي اين رساله نشان داد كه تهي¬جاي كاتيوني در حضور يون مغناطيسي كبالت، حالت اسپيني سه¬گانه خود را حفظ مي-كند. يون مغناطيسي كبالت نيز در حالت اسپين بزرگ قرار دارد و جفت¬شدگي گشتاور مغناطيسي اسپيني آن با گشتاور مغناطيسي تهي¬جا به¬صورت فرومغناطيس است. بر خلاف روند مشخص در رفتار مغناطيسي ZnO:(Co,vacancy)، نيمرساناي ZnO:(Mn,vacancy) آلاييده با منگنز نسبت به تغييرات كوچك چه در موقعيت اتم¬ها و چه در ميزان همبستگي الكتروني در قالب پارامتر U حساسيت نشان مي-دهد. در ساختارهاي ايده¬آل جفت¬شدگي مؤثر بين ناخالصي منگنز و تهي¬جا به¬صورت فرومغناطيس است. در ساختارهاي ريلكس شده يون مغناطيسي در اكسيژن¬هاي همسايه خود نيز قطبش اسپيني القا مي¬كند. توزيع يكنواختي در مقدار گشتاور مغناطيسي اكسيژن¬هاي همسايه تهي¬جا و همسايه يون مغناطيسي مشاهده مي¬شود كه با گشتاور مغناطيسي منگنز به صورت آنتي¬فرومغناطيس جفت شده¬اند. در حوزه تركيبات آلي، اتم مغناطيسي مي¬تواند بخشي از ساختار شيميايي نيمرساناي مورد بررسي يا به صورت اتم برجذبي روي سطح ماده آلي باشد. در خانواده فتالوسيانين¬هاي فلزي با فلز واسط d3 (از اسكانديم تا مس) محاسبات انرژي نشان داد كه تمامي اتم¬هاي فلزي بستگي شديدي در حدود eV 10 به فتالوسيانين دارند. به¬جز فتالوسيانين نيكل كه گشتاور مغناطيسي صفر دارد، تمامي ديگر تركيبات مغناطيسي هستند. با توجه به اهميت كاربردي ناهمسانگردي مغناطيسي و مغناطش مداري و همچنين ناتواني محاسبات GGA در تخمين درست گشتاور مداري، در اين رساله براي اولين بار در مطالعه فتالوسيانين¬هاي فلزي، تصحيح مغناطش مداري روي تابعي تبادلي- همبستگي GGA انجام شد. همخواني نتايج به¬دست آمده در مورد FePc با داده¬هاي تجربي موجود، نشان از توانايي اين تصحيح در بازتوليد نتايج تجربي دارد. محاسبات نسبيتي با تصحيح قطبش مداري، انرژي ناهمسانگردي مغناطيسي بزرگي به اندازه meV 5/51 متناظر با گشتاور مداري قابل توجه به بزرگي 𝜇B 38/1 در راستاي در- صفحه براي فتالوسيانين واناديم نشان مي¬دهد. در مطالعه نيمرساناهاي آلي با اتم مغناطيسي برجذبي، برجذب دو اتم فلز واسط آهن و كبالت روي مولكول كورونن بررسي شد. محاسبات نسبيتي اسكالر نشان مي¬دهد گذار اسپيني بين حالت اسپين بزرگ و حالت اسپين كوچك در هر دو كمپلكس Fe-coronene و Co-coronene با تغيير فاصله تعادلي اتم برجذبي تا مولكول كورونن همراه است. در حالي كه محاسبات GGA پيوند كووالانسي قوي بين اتم برجذبي با مولكول كورونن را نشان مي¬دهند، نتايج حاصل از اعمال دافعه كولني در قالب پارامتر هابارد U در رهيافت GGA+U، نشان از مكانيسم برجذب فيزيكي در هر دو كمپلكس دارد. مغناطيس حالت پايه در هر دو كمپلكس به بزرگي پارامتر هابارد U نيز حساس است. محاسبات كاملا نسبيتي با اعمال تصحيح قطبش مداري در كمپلكس Fe-coronene به ازاي پارامتر هابارد 2 الكترون ولتي، ناهمسانگردي مغناطيسي در- صفحه و به ازاي پارامتر هابارد 4 الكترون ولتي، ناهمسانگردي خارج- از- صفحه را نتيجه مي¬دهد. در مقابل، نتيجه حاصل از اعمال دافعه كولني U بر كمپلكس Co-coronene ناهمسانگردي مغناطيسي در- صفحه است. خواص مغناطيسي و ساختاري برجذب سري فلزات واسط d3 بر دو مولكول آلي ديگر، اليمپيسين و كورانولن نيز بررسي شدند. با توجه به محاسبات انرژي بستگي، به¬جز منگنز، ديگر فلزات واسط تمايل دارند روي سطح اليمپيسين برجذب شوند و پايدارترين كمپلكس، Ni-Olympicene است كه ساختاري كمي خميده دارد. بزرگ¬ترين گشتاور مداري نيز براي آهن برجذبي روي اليمپيسين به بزرگي 𝜇B 18/0 در تصحيح OP محاسبه شده است. در بررسي خواص ساختاري و مغناطيسي فلزات واسط d3 برجذبي روي هر دو سطح كاو و كوژ كورانولن نيز مشخص شد فلزات واسط بيشتر تمايل دارند روي سطح كوژ برجذب شوند. اتم برجذبي كبالت نيز روي هر دو سطح گشتاور مداري بزرگ در حدود 𝜇B 5/0 نشان داد.

1398/12/07

Interaction between magnetic particles in diluted magnetic semiconductors

2/26/2020 12:00:00 AM

Diluted magnetic semiconductors abbreviated as DMS bridge the two fascinating fields of semiconductors and magnetism. A diluted magnetic semiconductor is a non-magnetic semiconductor doped with a small amount of magnetic impurity. Low magnetic ion concentration leads to new spin functionalities while keeping the host semiconducting properties. This allows the use of conventional semiconductor technology as a compatible underlying technology for spintronic applications. Magnetic measurements have also revealed ferromagnetism in organic semiconductors. The analysis of these materials showed magnetic impurity in a very dilute limit. Based on the content of magnetic impurity and the similarities with inorganic magnetic semiconductors, the new class of diluted organic magnetic semiconductors (DOMS) is introduced. A clear understanding of the origin and mechanism of magnetic interactions is fundamental for successful synthesis of a high temperature ferromagnetic semiconductor for practical applications. In this regard the structural, electronic and magnetic properties of ZnO-based and some organic diluted magnetic semiconductors are studied using relativistic density functional theory. Apart from magnetic impurities, point defects such as vacancies can induce magnetism in semiconductors. The interactions between magnetic impurity and point defects in the form of transition metal-vacancy near-neighbour pair are investigated in the two ZnO-based DMSs, ZnO:(Co,vacancy) and ZnO:(Mn,vacancy) by the scalar relativistic approach. The GGA+U method is also considered to take into account the electron correlations. Our magnetic calculations revealed that the cation vacancy preserves its triplet spin state and couples ferromagnetically with cobalt magnetic impurity in ZnO:(Co,vacancy). However, magnetic properties of ZnO:(Mn,vacancy) showed sensitivity to small changes in the position of the atoms as well as the magnitude of Coulomb repulsion parameter U. While the effective coupling between manganese and vacancy magnetic moments is ferromagnetic in unrelaxed structures, the structural relaxation leads to an effective antiferromagnetic coupling. In organic semiconductors, the magnetic impurity can be incorporated in or adsorbed on the organic material. Binding energy calculations showed that the 3d transition metals (Sc-Cu) are strongly bound to phthalocyanine to form transition metal-phthalocynine (TMPc) molecules. Regarding the practical importance of magnetic anisotropy and orbital magnetism, an orbital polarization correction to the GGA exchange-correlation functional is applied for the first time on the TMPc molecules. The good agreement between the obtained results for FePc and the available experimental data indicates the ability of this correction to reproduce the experimental results. A large in-plane orbital moment (M=1.38𝜇B) corresponding to a high magnetic anisotropy energy of 51.5 meV is calculated in the full relativistic approach with OP correction for VPc. In the case of organic semiconductors with magnetic adatoms, Fe and Co atoms adsorbed on coronene molecule were investigated. Both of the complexes show a spin transition from low to high spin states by changing the adatom-coronene distance. The GGA calculations indicate a strong covalent binding with a low-spin state for both of the Fe-coronene and Co-coronene complexes. However, a van der Waals-like interaction with high-spin state is observed by inclusion of Coulomb repulsion between 3d electrons in terms of Hubbard U parameter. The adsorption of 3d transition metals on the two organic semiconductors, olympicene and corannulene are also studied. Ni-olymicene with a slightly curved strusture is the most stable among 3d TM-olympecene structures. Moreover, Fe showed the largest magnetic moment of 0.18 𝜇B in the TM-olympicene family. In the case of bowl-shaped corannulene, all of the 3d transition metals are found to bind preferably on the convex surface. Furthermore, all TM-corannulene structures are magnetized except Ni-corannulene.