بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، محاسبات بر پایه نظریه تابعی چگالی به منظور مطالعه خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی فازهای بلندروی - - ZB و هگزاگونال - - NiAs ترکیب CrTe و مرز مشترک فاز ZB با نیمرساناهای ZnTe,CdTe وCdSe صورت گرفته است.محاسبات ما NiAs را فاز پایدار و ZB را فاز نیمه فلز معرفی می کند. از بین سه هم ترازی نواری بررسی شده همترازی ZnTe - 001 - /CrTe - 001 - دارای VBO نسبتا بالایی است ولی در دو مورد دیگر کمینه نوار رسانش نیمرسانا پایین تر از کمینه نوار رسانش نیمه فلز می باشد و الکترونهای اکثریتی نیمه فلز میتوانند مستقیما به نیمرسانا تزریق شوند. بنابراین هر سه مرزمشترک می توانند در کاربردهای صنعتی جذاب باشند.
واژههای کلیدی: اسپینترونیک، خاصیت نیمه فلزی، مرز مشترک و خواص الکترونی.
01مقدمه
مواد فرومغناطیس نیمه فلز از جمله مواد مطلوب و جذابی هستند که اخیرا مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند. این مواد در یک کانالاسپینی در سطح فرمی دارای خاصیت فلزی و در کانال دیگر دارای خاصیت نیمرسانایی هستند و ازجمله مواد ایده آل برای صنعت اسپینترونیک محسوب می گردند. وقتی که اول بار دی گروت و همکارانش در سال 1983 خاصیت نیمه فلزی را در ترکیبات هویسلر پیشگویی کردند[1] چندین نیمه فلز تا کنون به صورت نظری پیشگویی و یا تجربی سنتز شده اند. اخیرا یک سری کارهای نظری و تجربی بر روی ترکیبات نیمه فلز با ساختار بلندروی - - ZB از قبیل MAs و M - MSb یک عنصر واسطه است - انجام شدهاست.[2]
این ترکیبات از نظر ساختاری و شیمیایی با نیمرساناهای III-V وII-VI سازگار هستند. در ادامه اسرینوازان و همکارانش موفق به رشد ساختار بلند روی CrTe بر روی GaAs با استفاده لایه واسط ZnTe در دو کار تجربی پی در پی شده اند . [3] به دلیل نزدیک بودن پارامتر شبکه سه نیمرسانای ZnTe - 6. 18 Å - ,CdSe - 6. 19 Å - و CdTe - 6. 62 Å - به پارامتر شبکهمحاسبه شده [4] - 6.29Å - CrTe این نیمرساناها زیر لایه های مناسبی برای ساختار بلند روی CrTe محسوب می شوند. درادامه ما ابتدا مختصری در مورد خواص کپه ای CrTe و سپس در ادامه به بررسی خواص نیمه فلزی، الکترونی مرز مشترک هایZnTe/CrTe - 001 - CdSe/CrTe - 001 - و CdTe/CrTe - 001 - می پردازیم.
02نتایج و بحث
برای استخراج خواص ساختاری انبوهه CrTe فرومغناطیسی - - AFM و غیر مغناطیسی - - NM درما در ابتدا به بررسی این خواص در حالتهای فرو مغناطیسی - - FM، آنتی فازهای ZB و هگزاگونال - - NiAs پرداخته ایم. محاسبات ما نشان می دهد که ساختار پایدار CrTe ساختار NiAs در حالت FM است. این نتایج با محاسبات نظری اخیر [4] تطابق کامل دارد. با افزایش حجم - اعمال فشار منفی - فاز فرومغناطیس ساختار بلند رویحاصل می گردد. فشار گذار محاسبه شده از فاز FM ساختار NiAs ترکیب CrTe به فاز FM ساختار بلند روی-3/1 گیگا پاسکالبه دست آمده است.همانطور که قبلا گفته شد، ساختار بلند روی ترکیبات دوتایی فلزات واسطه با عناصر گروه های V و - VI عناصر ختم به اربیتالهای s و - p در جدول تناوبی دارای خاصیت نیمه فلزی هستند.
عامل اصلی خاصیت نیمه فلزی در این ترکیبات هیبریداسیون اربیتال d فلزواسطه با اربیتال p عنصر آنیون است. با توجه به تقارن موجود در ساختارهای بلند روی - هر اتم با چهار اتم از نوع دیگر با فاصلههای مساوی احاطه شده است - اربیتال d فلز واسطه در این ترکیبات به دو زیرفضای کاهش ناپذیر شکافته می گردد. این زیرفضا هاعبارتند از: t2g - dxy,dxz,dyz - و . eg - dx2-y2,dz2 - برای پی بردن به این هیبرید شدگی در این ترکیبات ما ساختار نوار انرژی CrTe را در ساختار بلند روی برای هر دو کانال اسپینی اقلیت و اکثریت، محاسبه و در شکل - 1 - معرفی کرده ایم.تعادلی برای هر دو کانال اسپینی اقلیت و اکثریت از CrTe در حجمهای متفاوت یاخته بسیط.همانطور که در شکل - - 1 دیده می شود حالات الکترونی t2g دارای پهن شدگی بیشتری نسبت به حالات الکترونی eg هستند.
در واقعهیبرید شدگی بین حالتهای t2g اتم Cr و اربیتال p اتم Te باعث پهن شدگی بیشتر حالتهای t2g شده است. نوارهای انرژی کانالاسپینی اقلیت در مقایسه با کانال اسپینی اکثریت در محدوده انرژی بالاتری قرار گرفته اند که این ناشی از اثر شکافتگی تبادلی است. این اثر باعث شده است که در کانال اسپینی اقلیت حالتهای eg بالاتر از سطح فرمی قرار گیرند و سطح فرمی در گاف انرژی واقع شود و باعث خاصیت نیمه فلزی در ساختار بلندروی CrTe گردد. گاف نیمه فلزی ایجاد شده در حالت تعادلی برابر 2/90 الکترونولت به دست آمده است.در ادامه ما به محاسبه گشتاور مغناطیسی کل هر دو فاز ترکیب CrTe در حجمهای مختلف یاخته بسیط پرداخته ایم. نمودار حاصل در شکل - - 2 رسم شده است.
در فاز NiAs مطابق شکل با افزایش حجم یاخته بسیط مغناطش کل به مقدار 4 B میل می کند. در حجم های بالا دو الکترون از اتم کروم به اربیتال p اتم Te منتقل می گردد و پوسته الکترونی p پر می شود. چهار الکترون موجود دراربیتال d اتم کروم بر طبق قانون هوند مغناطشB 4 را به ترکیب CrTe می بخشد. رفتار مشابهی برای MnAs گزارش شده است.[5] فازهای بلند روی ترکیبات نیمه فلز دو تایی از قانون 8 رابطه اسلیتر-پائولینگ پیروی می کنند. این قانون بهصورت M tot - Ztot 8 - B بیان می شود که Ztot تعداد کل الکترونهای ظرفیتی است. تعداد الکترونهای ظرفیتی CrTe برابر12 الکترون می باشد و انتظار می رود در حالت نیمه فلزی مغناطش کل این ترکیب برابر 4 B باشد.
محاسبات ما این امر را تاییدمی کند. در شکل - - 2 نمودار گشتاور مغناطیسی کل یاخته بسیط ترکیب CrTe در فاز ZB بر حسب حجم یاخته بسیط رسم شدهاست. بر طبق محاسبات ما پارامتر شبکه آستانه خاصیت نیمه فلزی برای ترکیب CrTe برابر 5/93 Å به دست آمده است.ما در ادامه به بررسی محاسبات مربوط به سه مرز مشترک ZnTe/CrTe - 001 - , CdSe/CrTe - 001 - و CdTe/CrTe - 001 -
پرداخته ایم. محاسبات در این بخش با استفاده از ابریاخته های 16 لایه ای که هر یک شامل 8 لایه بستر و 8 لایه فیلم می باشد انجامشده است. همچنین با استفاده از عمل واهلش تمامی نیروهای وارد بر اتمها کمینه شده است. در بخش خواص الکترونی ما در اینجابه علت تشابه نتایج تنها به معرفی خواص الکترونی ابریاخته CdSe/CrTe - 001 - می پردازیم.
منحنی چگالی حالتهای الکترونیبهترین ابزار برای مطالعه خواص الکترونی است. به همین منظور ما منحنی چگالی حالتهای الکترونی اتمهای موجود در مرز مشترک ابریاخته CdSe/CrTe - 001 - را در شکل - - 3 نمایش داده ایم. همانطور در شکل دیده می شود چگالی حالتهای الکترونی اتم Se مرزمشترک با اتمهای متناظرش در وسط بستر - - CdSe و فیلم - CrTe - مقایسه شده است. رفتار اتم Se مرز مشترک برگرفته از هردو اتم شبه-کپه ای است و این موضوع امری طبیعی است زیرا اتم مرزمشترک به عنوان واسطه ای بین دو ماده مغناطیسی و غیرمغناطیسی عمل می کند. همچنین خاصیت نیمه فلزی در اتم مرز مشترک حفظ شده است. خاصیت مشابهی در CrSe/ZnSe - 001 - مشاهده شده است .>6@ بر طبق شکل - - 3
در قسمت a چگالی حالات الکترونی اتم زیرمرزمشترکCd نسبت که رفتار نوارهای انرژی در مرز مشترک تاثیرات مهمی را بر روی خواص ترابرد الکترون در مرزمشترک فلز-نیمرسانا و نیمرسانا-نیمرسانا می گذارد. از جمله پارامتر های مهم در مرز مشترک نیمرسانا- نیمرسانا ناپیوستگی های نواری هدایت و ظرفیت هستند که به ترتیب به افست نوار رسانش - - CBO و افست نوار ظرفیت - - VBO معروفند. از طرف دیگر در مرز مشترک فلز- نیمرسانا سدهای شاتکی نوع n و - n, p - p از جمله پارامترهای مهم در خواص ترابردی محسوب می گردند. ما این مقادیر را برای هر سه ابریاخته محاسبه کرده ایم و نمودار همترازی نواری هر سه مرزمشترک را در شکل - 4 - نمایش داده ایم. دو نکته در جذابیت صنعتی ابریاخته
