بررسی خواص الکترونی و مغناطیسی نانولوله های گالیوم نیتراید آلاییده با عناصر واسطه توسط رهیافت نظریه تابعی چگالی

نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده موادی هستند که خواص نیمرسانایی و مغناطیسی را به طور همزمان نشان می دهند. این مواد نیمرساناهایی هستند که شامل تعدادی اتم عناصر واسطه اند که جایگزین کاتیون ها شده اند. از بین نیمرساناهای فرومغناطیس گروه iii–v ، نیمرسانای مغناطیسی گالیوم نیتراید رقیق شده با عناصر واسطه (ga,tm)n به خاطر دمای کوری بالای دمای اتاق، بیشترین کاربرد را در صنعت اسپین ترونیک دارد. در این پژوهش خواص الکترونی و مغناطیسی نانولوله های خالص و آلایش یافته gan با عناصر واسطه (v, cr, mn , fe, co, ni ) ، با استفاده از رهیافت نظریه تابع چگالی قطبیده اسپینی و تقریب شیب تعمیم یافته gga توسط کد محاسباتی siesta مطالعه شده است. محاسبات روی نانولوله های خالص آرمچیر (3,3)، (5,5)، (7,7)، (8,8)، (9,9)، (10,10)، (12,12)، (14,14) و زیگزاگ (0,3)، (0,5)، (0,7)، (0,8)، (0,9)، (0,10)، (0,12)، (0,14) صورت گرفته است. نتایج حاصله از محاسبات الکترونی بیانگر خواص نیمرسانایی این نانولوله هاست. ساختارهای الکترونی نشان می دهد نانولوله های زیگزاگ وآرمچیر به ترتیب دارای گاف نواری مستقیم و غیر مستقیم بوده و در هر دو نوع نانولوله با افزایش قطر، گاف نواری افزایش یافته بگونه ای که تغییرات گاف نواری در نانولوله های زیگزاگ نسبت به نانولوله های آرمچیر بیشتر است اما این روند افزایشی در قطرهای بالاترکندتر می گردد. تقارن چگالی حالت ها بیانگر عدم خاصیت مغناطیسی نانولوله های خالص می باشد. نانولوله های آرمچیر (3, 3)، (5, 5) و زیگزاگ (0, 9)، (0, 5) توسط عناصر واسطه مورد آلایش قرار گرفت. چگالی حالت های اسپینی قطبیده نشان می دهد که نانولوله های گالیوم نیتراید آلایش یافته با عناصر واسطه، نیمرسانای مغناطیسی رقیق شده اند. آلایش با v و cr و mn در همه موارد منجر به ایجاد خاصیت فرو مغناطیسی گردید. فلز mn پایدارترین فاز فرومغناطیسی و بیشترین گشتاور موضعی مغناطیسی را برای هر دو نوع نانو لوله نشان داد. نانولوله های آلایش یافته با co و ni در فاز پایدار از خود خاصیت آنتی فرو مغناطیسی نشان داده، در حالیکه نانولوله های آلایش یافته با fe بسته به موقعیت آلایش، هر دو فاز آنتی فرومغناطیسی و فرومغناطیسی را نشان می دهد. گشتاور مغناطیسی کل ایجاد شده در ساختار، در حضور عناصر واسطه، از v به سمت fe افزایش یافته و بیشینه مقدار را آلایش fe نشان می دهد درحالیکه با افزایش عدد اتمی از fe به سمت ni گشتاور مغناطیسی کل کاهش می یابد. حالت نیم فلزی با قطبش اسپینی 100 درصد در نمونه های آلایش یافته با mn مشاهده گردید. ساختار منحصر به فرد قطبش اسپینی ترازهای انرژی به هیبریداسیون بین اوربیتال های تراز d3 عناصر واسطه و اوربیتال p2 نیتروژن های همسایه آن مربوط می شود. گشتاور مغناطیسی موضعی عناصر واسطه و گشتاور مغناطیسی کل محاسبه شده برای ساختارهای مختلف، در توافق خوبی با نتایج تجربی است. نتایج حاصل از این تحقیق می تواند جهت مطالعات تجربی آینده روی نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده مفید واقع گردد. با توجه به نتایج حاصله از این پژوهش، نانولوله های gan آلایش یافته با عناصر واسطه، به عنوان کاندیدای مناسب جهت کاربرد در قطعات اسپین ترونیکی پیشنهاد می شود.