《表1 GaN、GaN∶Gd体系和GaN∶Gd∶C体系中Gd原子磁矩、C原子磁矩和总磁矩[44]》

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《稀土掺杂GaN基稀磁半导体材料的研究进展》

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研究者们发现GaN基稀磁半导体的室温铁磁性除了与掺杂离子和缺陷有关外，还可以通过非磁性离子/过渡族金属离子的共同注入来调控。2014年，A.Majid等人[41]用密度泛函理论计算了Cr和Nd共掺GaN的磁交互作用，发现共掺GaN体系表现出了不同寻常的结果，Nd的4f电子极化其5d能级，反过来又通过p-d杂化来极化Cr 3d能级，Nd和Cr共掺杂GaN的铁磁性是通过间接交互作用产生的。2015年，P.Kaur等人[42]计算了Si和Eu共掺GaN纳米颗粒的室温铁磁性，Si的共掺杂进一步促进了Eu掺杂，超大Eu原子和较小Si原子产生的应变得到了补偿，共掺杂也是实现光电子材料不同基体中稀土掺杂的有效途径。2015年，X.G.Gao等人[43]在Cr和Er共注的GaN基稀磁半导体材料中观测到了巨大磁矩，该磁矩可能来源于Cr和Er离子之间的3d-4f耦合作用，因此过渡金属和稀土金属之间的3d-4f耦合能增加GaN基稀磁半导体材料的铁磁性。2017年，N.S.Kaleemullah[44]采用第一性原理的方法计算了C和Gd共注GaN的铁磁性，计算结果如表1[44]所示，当C和Gd共掺入GaN中时，Gd的原子磁矩和系统总磁矩都有所增加，Gd和C共注GaN的铁磁性来源于C的2p电子与Gd的5d电子的Zener p-d交互机理。以上的共同注入研究都是基于理论计算，通过共掺增加了自旋电子之间的直接或间接交互作用，从而可能会增加铁磁性。虽然理论计算显示了两种离子共同注入会增加体系的铁磁性，但是实验上两种离子共注也有可能降低GaN体系的室温铁磁性。2010年，L.L.Sun等人[45]报道了Sm和Eu离子共同注入GaN的室温铁磁性，发现GaN∶Sm∶Eu比GaN∶Sm具有更低的饱和磁化强度。本文课题组最新的报道中[46]，C和Dy离子共同注入到GaN∶Dy中，样品的饱和磁化强度增加，这是由于C离子的p电子与Dy离子的4f电子发生了杂化，从而导致了室温铁磁性的增加。从以上的理论计算和实验测量结果可以看出，共掺是改变GaN稀磁半导体的室温铁磁性的有效途径，无论是稀土离子和过渡族金属离子还是稀土离子和非磁性离子共同注入GaN的室温铁磁性都需要进一步深入研究。