بخشی از مقاله
چکیده
خواص الکترونی و مغناطیسی سطوح CrSb - 001 - در ساختار بلند روي و فصل مشترك آن با نیمرساناي GaSb در چارچوب نظریه تابعی چگالی و با روشFPLAPW+loمطالعه شده است. سطوح ختم به Cr خاصیت نیمه فلزي خود را حفظ می کنند در صورتی که خاصیت نیمه فلزي سطوح ختم به Sb - 001 - به واسطه حالتهاي الکترونی نشات گرفته از اربیتالP اتم Sb ازبین رفته است. دیاگرام فازي حاصل شده نشان می دهد که در μCr ≅ −0.2Ry گذار فازي از Sb - 001 - به Cr - 001 - رخ داده است.همچنین خاصیت نیمه فلزي در فصل مشترك CrSb/GaSb حفظ شده است. پیوند گاه CrSb/GaSb داراي افست نواري ظرفیت - VBO - نسبتا بزرگی است و از اینرو سهم کمتر الکترونهاي اقلیتی در جریان تزریقی باعث کارآمدي بیشتر تزریق اسپین به نیمرساناي GaSb شده است.
مقدمه
امروزه نیمه فلزات فرومغناطیس جزء مطلوب ترین و جذاب ترین مواد در صنعت اسپینترونیک محسوب می گردند. این مواد در یک کانال اسپینی فلز ودر کانال اسپینی دیگر داراي یک گاف در سطح فرمی هستند که به گاف نیمه فلزي معروف است. بنابراین این مواد داراي قطبش اسپینی 100% در سطح فرمی هستند. اول بار گروت و همکارانش خاصیت نیمه فلزي را در ترکیبات نیمه هویسلر[1] پیشگویی کردند. در ادامه نیمه فلزاتیهمچون CrO2، Sr2FeMoO6 و ترکیبات هویسلرمانند [2] Co2MnSiازنقطه نظر عملی وتئوري مورد سنتز و بررسی قرار گرفته اند. اخیرا تلاشهایی براي رشد ترکیبات با ساختار بلند روي مانند MAsوM - MSb یک فلز واسطه است - که سازگار با نیمرساناهاي III-VوII-VI هستند، صورت گرفته است3]و4و.[5
فاز پایدار این مواد اغلب ساختارهاي NiAs وMnP است و ساختار بلند روي در این مواد تنها با رشد بر روي یکی از نیمه رساناهاي مذکور متبلور میگردد. بر پایه کار محاسباتی اخیر بر روي ساختار بلند روي کپه اي [6] CrSb پارامتر شبکه براي این ساختار برابر 6,14Å به دست آمده است که اختلاف خیلی کمی با پارامتر شبکه نیمه رساناي - Å GaSb - 6.10 دارد. لذا GaSb می تواند بستر مناسبی براي رشد CrSb به حساب آید. اما در کاربردهاي صنعتی مهمترین نکته آن است که خاصیت نیمه فلزي در سطوح و فصل مشترك این مواد در هنگام رشد حفظ گردد. در این مقاله ما به بررسی خواص الکترونی، مغناطیسی و ساختاري سطوح CrSb - 001 - و فصل مشتركCrSb با نیمرساناي GaSb پرداخته ایم.
روش محاسبات
تمامی محاسبات بر پایه نظریه تابعی چگالی و با استفاده از روش FPLAPW+lo و تنها با تقریب GGA انجام شده است. پارامترRMT Kmax 8 انتخاب شده است. شبکه بندي نقاط k داخل
منطقه اول بریلوئن به شکل 8*8*8 و8*8*1 به ترتیب در بخش مربوط به محاسبات کپه اي و ابریاخته ها انتخاب شده است.
نتایج و بحث
نمودار فازي سطوح CrSb - 001 -
در مرحله اول از محاسبات ما به معرفی پایداري نسبی سطوح متفاوت CrSb پرداخته ایم. براي این کار از انرژي آزاد سطحی براي معرفی پایداري نسبی سطوح استفاده کرده ایم. انرژي آزاد سطحی به صورت زیر تعریف می شود:که G انرژي آزاد گیبس،Niتعداد عنصر i ام ، μ i پتانسیل شیمیایی، 2A سطح کل ابریاخته متقارن و γ انرژي آزاد سطحی ابریاخته می باشد. در شکل 1 انرژي آزاد سطحی براي سطوح ختم به Cr وSb بر حسب پتانسیل شیمیایی اتم Cr رسم شده است. برطبق شکل1در نقطه μC ≅ −0.2Ryیک گذار فاز ازسطح - Sb - 001 به سطح Cr - 001 - اتفاق افتاده است.
شکل:1 نمودار فازي سطوح ختم به Cr - 001 - و - Sb - 001 در CrSb - 001 - خواص ساختاري سطوح CrSb - 001 - در جدول 1 انرژي سطحی سطوح Cr - 001 - و - Sb - 001 در پارامترشبکه دو بعديGaSb مقایسه شده اند.
بر طبق این مقادیر انرژي سطح Sb - 001 - پایین تر از سطح Cr - 001 - است و در نتیجه سطحSb - 001 - پایدارتر به نظر می رسد. براي پی بردن به دلیل این موضوع ما انرژي بستگی دو اتم Cr وSb را جداگانه محاسبه کرده ایم. این مقادیر به ترتیب برابر-0.32Ry و -0.2Ry به دست آمده است. انرژي بستگی پایین تر Cr نسبتSb نشان می دهد که اتم Crدر سطح با از دست دادن دو همسایه از چهار همسایه اش میل به ناپایداري بیشتري دارد. همچنین در جدول 1 فواصل بین لایه اي در ابریاخته هاي متفاوت آمده است که با نتایج مربوط به محاسبات کپه اي مقایسه شده است. بر طبق مقادیر جدول 1 اتمهاي سطحی در هر دو ابریاخته به اتمهاي زیر سطحی نزدیک شده اند. اتمهاي سطحی هر کدام دو همسایه خود را ازدست داده اند و بنابراین براي جبران فقدان اتمهاي همسایه خود با اتمهاي زیر سطحی پیوند قویتري تشکیل داده و در نتیجه فواصل بین آنها کاهش یافته است.بیانگر فاصله بین لایه هاي i وj است. - S.E بیانگر انرژي سطحی بر حسب ریدبرگ است.
خواص الکترونی سطوح CrSb - 001 -
در این بخش ما به معرفی منحنی چگالی حالتها براي اتمهاي سطحی و زیر سطحی در هر دو سطح Cr - 001 - و - Sb - 001 پرداخته ایم که در شکل 2 آمده است. حالتهاي الکترونی سطحی با حالتهاي الکترونی مربوط به اتمهاي وسط ابریاخته - ناحیه شبه کپه اي - مقایسه شده اند. خاصیت نیمه فلزي در سطوح ختم به Cr - 001 - حفظ شده است. در ناحیه بین -1,5 و -3,5 الکترون ولت مربوط به حالتهاي الکترونی Cr و Sb در سطح و زیر سطح ابریاخته ختم بهCr - 001 - ، یک پهن شدگی دیده می شود که این موضوع پیوند قویتر بین اتمهاي سطحی و زیرسطحی را که قبلا به آن اشاره شد، تایید می کند. چگالی حالتهاي اتمهاي سطحی در سطح ختم بهSb - 001 - تفاوت فاحشی با اتمهاي حالت کپه اي دارد. رفتار مشابهی در سطوح ختم به As وP در ابریاخته هاي CrAs - 001 - و - CrP - 001
نکته حائز اهمیت نابودي خاصیت نیمه فلزي در سطوح Sb - 001 -
است. دو دلیل عمده در از بین رفتن این خاصیت نقش دارند. دلیل اول ناشی از گستردگی بیشتر اربیتال p اتم سطحیSb نسبت به اربیتال d اتم Cr می باشد که باعث پیشروي بیشتر آن در گاف نیمه فلزي شده است. دلیل مهمتر اثر پتانسیل در سطوح است که تمایل دارد به صورت ناگهانی افزایش یافته وبه مقدار صفر میل کند. این اثر باعث جابجایی قابل ملاحظه حالات الکترونی در سطوح ختم به Sb به سمت سطح فرمی شده است.
خواص الکترونی فصل مشترك CrSb/GaSb
در این بخش با ساختن ابریاخته اي شامل 9 لایه GaSb و 7 لایه CrSb به مطالعه پیوندگاه …/Cr/Sb/Ga/… پرداخته ایم. در این حالت اتم Sb در موقعیت فصل مشترك - interface - و اتمهاي Cr و Ga هرکدام در موقعیت زیرفصل مشترك - subinterface - قرار دارند. در شکل 3 نمودار چگالی حالتهاي اربیتالی اتمهاي پیوندگاه نشان داده شده است. چگالی حالتها در تمامی حالتها با اتمهاي شبه کپه اي مقایسه شده است. مهمترین نکته حفظ خاصیت نیمه فلزي در فصل مشترك است. همانطور که دیده می شود Sb در فصل مشترك نسبت به اتمهاي مشابه خود در مراکز فیلم و بستر نقشی
