Dilute magnetic semiconductors, CdS and ZnO

Abstract

Mit der Entwicklung der magnetischen Halbleiter wurden die Eigenschaften von magnetischen Verunreinigungen technologisch interessant. Für Verunreinigungen mit d- und f-Elementen ist das Verhalten ziemlich klar. Ein neues Feld eröffnet sich wenn man beginnt p-Elemente zu substituieren welche normalerweise keine magnetische Polarisation zeigen. Dieser Effekt tritt auch in Graphen auf. In der vorliegenden Dissertation wurden CdS und ZnO untersucht, wobei S bzw O durch ein Hauptgruppenelement ersetzt wurden. Unsere Untersuchung besteht aus quantenmechanischen Berechnungen der elektronischen und magnetischen Struktur von dotierten Superzellen. Dabei wurden Verunreinigungen (B, N, C, O, F, Al, Si, P, Ga, Ge) in Wurtzit (w) und Zinkblende (zb) Kristallgittern untersucht. Wir konnten Zeigen, dass die Verunreinigungen bevorzugt auf S oder O Gitterplätze gehen. Für kleine Konzentrationen (64zb/72w und 32zb Superzellen) finden wir halb-metallische magnetische Ordnung. Für höhere Konzentrationen liegt auch schwach ferromagnetisches Verhalten vor. Im Fall von Ge und P Verunreinigungen finden wir ein meta-magnetisches System. Die erforschten Systeme könnten eine zukünftige Anwendung im Bereich der Spintronics finden.<br />

With the development of magnetic semiconductors, the role of the magnetism of impurities came again into the focus of research. For d- and f -electron impurities, the situation seems to be rather clear. A new field appears when one starts to study magnetism produced by vacancies or by atoms, which usually do not carry any magnetic moments in a bulk solid. Starting from the magnetism of carbon vacancies in graphene we will present a study of CdS and ZnO where S and O (respectively) are replaced by main group elements. On the basis of abinitio supercell calculations employing density functional theory (DFT) we investigate the behaviour of impurities (B, N, C, O, F, Al, Si, P, Ga, Ge) in wurtzite (w) and zincblende (zb) lattices. It is found that the impurities prefer the sulfur position and most of them, depending on the concentration exhibit magnetic order. We find that for small concentrations (64zb/72w and 32zb atom supercells) a half metallic ferromagnetic behaviour is found. For a 16 atom supercell for both zb and wstructure partly also unsaturated magnetic moments occur. For Ge and P impurities a metamagnetic behaviour appears, which is found for the first time in p-electron systems. A field dependence of the magnetic moments in these materials may lead to new technological applications in these magnetic semiconductors as tunable spin injection materials.<br />