Influence des dopants sur les propriétés électroniques, optiques et magnétiques des composés II-VI et III-V

Abstract

Résumé : La principale motivation de cette étude consistait à évaluer l'impact des propriétés particulières de ZnO et GaN, telles que leur grande énergie de bande interdite, la forte énergie de liaison de l'exciton et le faible couplage spin-orbite, sur les temps de relaxation de spin des porteurs. Les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) sont activement étudiés en raison de leurs applications potentielles dans les futurs dispositifs en spintronique. Les semi-conducteurs usuels tels que les composés II-VI ( ZnO) qui sont diamagnétiques peuvent être rendus ferromagnétiques par un dopage avec des métaux de transitions 3d. En fait il s’agit plutôt d’un alliage car des concentrations élevées sont requises. L’utilisation des couches minces ferromagnétiques permettrait d’injecter efficacement des courants polarisés et de contrôler le magnétisme par l’application d’une tension (spinFET). Dans cette quête on examine les semi-conducteurs de type II-VI dopés par des ions magnétiques, plusieurs oxydes ou différentes hétéro-structures (puits quantiques) magnétiques. L’origine du ferromagnétisme dans les composés II-VI semble bien établie (couplage avec les trous délocalisés, modèle Zener); par contre la nature du ferromagnétisme observé pour certains dopages (Mn,Co) dans ZnO est à notre avis plutôt d’origine extrinsèque. Nous allons montrer par le billet des méthodes ab-initio, comment prédire les propriétés importantes sur la nature du magnétisme. En particulier nous allons discuter les cas de ZnCoO. Différentes études systématiques nous ont permises d’étudier l’influence de la concentration des trous et de Co sur les principales propriétés. On se propose de participer à cette quête par une étude théorique. Il est prévu d’étudier les similitudes et différences entre les semi-conducteurs à base de zinc et les semi-conducteurs III-V comme GaN, toujours dopés avec des ions magnétiques. Il est particulièrement important de comprendre l’effet du couplage fort entre les moments magnétiques localisés et les spins des porteurs de la charge.

Abstract : The main motivation of this study was to evaluate the impact of the particular properties of ZnO and GaN, such as their high band gap energy, the high exciton binding energy and the low spin-orbit coupling, over time. Spin relaxation of the carriers. Ferromagnetic semiconductors are actively studied because of their potential applications in future spintronic devices. Conventional semiconductors such as II-VI (ZnO) compounds which are diamagnetic can be made ferromagnetic by doping with 3d transition metals. In fact it is rather an alloy because high concentrations are required. The use of ferromagnetic thin films could efficiently inject polarized currents and control magnetism by applying a voltage (spin FET). In this quest we examine type II-VI semiconductors doped with magnetic ions, several oxides or different magnetic hetero structures (quantum wells). The origin of ferromagnetism in compounds II-VI seems well established (coupling with delocalized holes, Zener model); on the other hand, the nature of the ferromagnetism observed for certain doping (Mn, Co) in ZnO is in our opinion rather of extrinsic origin. We will show by the post ab initio methods, how to predict important properties on the nature of magnetism. In particular we will discuss the cases of ZnCoO. Various systematic studies have allowed us to study the influence of the concentration of holes and Co on the main properties. We propose to participate in this quest by a theoretical study. It is planned to study the similarities and differences between zinc-based semiconductors and III-V semiconductors like GaN, always doped with magnetic ions. It is particularly important to understand the effect of the strong coupling between the localized magnetic moments and the spins of the carriers of the load.

ملخص:

كان الدافع الرئيسي لهذه الدراسة هو تقييم تأثير الخواص الخاصة لـ ZnO و GaN ، مثل طاقة فجوة النطاق العالي ، طاقة الربط العالية من الإكسيتون والاقتران المنخفض المدور الدوراني ، بمرور الوقت. تدور الاسترخاء من شركات الطيران. تدرس بنشاط أشباه الموصلات المغناطيسية المغناطيسية بسبب تطبيقاتها المحتملة في أجهزة سبينترونيك المستقبلية. يمكن أن تكون أشباه الموصلات التقليدية مثل مركبات II-VI (ZnO) التي هي diamagnetic مصنوعة من المغناطيسية المغناطيسية عن طريق تناولها مع معادن انتقالية ثلاثية الأبعاد. في الواقع هو بالأحرى سبيكة لأن هناك حاجة لتركيزات عالية. إن استخدام الأغشية الرقيقة المغنطيسية يمكن أن يولد بكفاءة تيارات مستقطبة وأن يتحكم بالمغناطيسية عن طريق تطبيق جهد (spinFET). في هذا البحث ، نقوم بفحص أشباه الموصلات من النمط II-VI الممزوجة بأيونات مغناطيسية ، أو أكاسيد متعددة أو هياكل مغايرة مغنطيسية مختلفة (آبار كمومية). يبدو أن منشأ المغنطيسية الحديدية في المركبات من النوع II-VI ثابت بشكل جيد (اقتران مع ثقوب غير محددة ، نموذج زينر) ؛ من ناحية أخرى ، فإن طبيعة المغناطيسية الحديدية الملاحظة لبعض المنشطات (Mn ، Co) في ZnO هي في رأينا وليس بالأصل الخارجي. سوف نعرض من خلال أساليب post ab initio ، وكيفية التنبؤ بالخواص الهامة على طبيعة المغناطيسية. على وجه الخصوص سنناقش حالات ZnCoO. وقد سمحت لنا دراسات منهجية مختلفة لدراسة تأثير تركيز الثقوب وشركاه على الخصائص الرئيسية. نقترح المشاركة في هذا المسعى من خلال دراسة نظرية. ومن المقرر دراسة أوجه التشابه والاختلاف بين أشباه الموصلات التي تعتمد على الزنك وأشباه الموصلات من النوع III-V مثل GaN ، والتي يتم تخميرها دائمًا بالأيونات المغناطيسية. من المهم بشكل خاص فهم تأثير الربط القوي بين اللحظات المغناطيسية المحلية وسلاسل ناقلات الحمل.