掺杂CoFe?O?中的能带工程与导电性提升：迈向室温透明自旋电子学

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Band engineering and conductivity enhancement in doped CoFe 2O 4: Toward room-temperature transparent spintronics

基于第一性原理计算，本研究系统探究了Cu、Zn、Ga掺杂对CoFe2O4半导体铁磁体电子、光学及磁性能的影响。结果表明，Cu掺杂使带隙缩小至0.13 eV并显著提升电子电导率，其临界温度达441 K，同时保持可见光区（0.22-0.25）光学透明性。Zn和Ga掺杂虽维持大带隙（1.98-2.07 eV）和反铁磁有序结构，但导电性提升有限。研究证实Cu掺杂的CoFe2O4具有优异的透明导电铁磁性能组合，为高温透明自旋电子器件开发提供新思路。

　　

伊姆兰·汗（Imran Khan）| 阿卜杜拉（Abdullah）| 洪志尚（Jisang Hong）

韩国釜山浦项国立大学物理系，48513

摘要

通过元素掺杂来调控功能材料的可调性，为设计其电子、电学、磁性和光学特性提供了强有力的途径，以应用于下一代设备。在本研究中，我们利用第一性原理计算探讨了Cu、Zn和Ga掺杂对CoFe₂O₄（CFO）的电导率、光学和磁性能的影响。研究发现，所有掺杂体系仍保持半导体特性，其中Cu掺杂体系的带隙为0.13电子伏特，Zn掺杂体系为1.98电子伏特，Ga掺杂体系为2.07电子伏特。蒙特卡洛模拟预测Cu掺杂体系的居里温度为441开尔文，Zn掺杂体系为630开尔文，Ga掺杂体系为244开尔文。此外，所有掺杂体系在可见光范围内的反射率约为0.22–0.25。虽然原始CFO的电导率较低，但Cu和Zn掺杂体系表现出显著的电导率提升。特别是Cu掺杂的CFO在电子和空穴掺杂结构中均表现出较高的电导率，并且具有较高的临界温度。这些特性表明Cu掺杂的CFO可能是适用于高温透明自旋电子学应用的潜在材料。

引言

透明半导体氧化物（TSOs）因其在可见光区域内同时具备电导率和透明性而备受关注，使其在磁透明显示器、磁光传感器、智能透明窗户和太阳能电池等应用中不可或缺[[1], [2], [3], [4]]。然而，大多数传统TSOs是非磁性的，这限制了它们在多功能设备平台中的应用。将磁性整合到透明半导体中为多功能设备开辟了新的途径，包括透明自旋电子学、智能窗户和磁光显示器[3,5,6]。在这方面，长期以来人们一直在研究稀磁半导体（DMSs），如(Ga, Mn)As和(Zn, Co)O[[7], [8]]。然而，诸如居里温度低、形成不需要的次级相以及磁性有序性差等挑战限制了它们的实际应用。

为了克服这些限制，具有更好热稳定性和光学透明性的本征铁磁材料非常受欢迎。在这方面，尖晶石氧化物因其化学灵活性、热稳定性和结构坚固性以及多样的电子和磁性能而成为有前景的候选材料[9,10]。其中，CoFe₂O₄（CFO）作为一种反尖晶石铁氧体，因其高居里温度（约793–843开尔文）、强磁晶各向异性、高矫顽力和优异的化学稳定性而脱颖而出[2,[11], [12], [13]]。这些特性使CFO适用于磁存储[14]、微波吸收[15]、自旋电子器件[16]、电磁屏蔽[17]以及锂离子电池中的电极[18]。此外，CFO在可见光范围内表现出光学透明性，并且在块体和薄膜配置中均具有稳定的铁磁有序[19]。然而，原始CFO的能带接近费米能级且近乎平坦，这可能导致较大的有效质量，从而使得其电导率极低[20]，从而阻碍了其作为光学透明磁性材料在多功能设备架构中的实际应用。尽管开发光学透明材料是必要的条件，但光学透明性可能不是充分条件。出于这一考虑，本研究将探讨Cu、Zn和Ga掺杂对CFO的电子、电学、光学和磁性能的影响。我们的目标是在不牺牲CFO高居里温度和强铁磁性的前提下提高其电导率，进而指导高性能透明磁性材料的设计，以适用于多功能光电子和自旋电子应用。

数值方法

数值方法

为了研究X掺杂（X = Cu、Zn和Ga）的CoFe₂O₄块体的电子和磁性能，我们采用了维也纳从头算模拟软件包（VASP）[21,22]。结构弛豫过程是在Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）[23]广义梯度近似框架内进行的。为了准确捕捉Co和Fe 3d电子的局域行为，我们采用了DFT + U方法，该方法由Dudarev等人提出[24]，并考虑了有效的原位库仑相互作用。

结果与讨论

本研究探讨了Cu、Zn和Ga掺杂对CoFe₂O₄（CFO）的影响。通过将掺杂原子（X = Cu、Zn和Ga）替换到CFO晶格的特定阳离子位置来引入这些掺杂原子。需要注意的是，X原子可以占据三种不同的晶体位置：替代八面体（B）位置的Co原子、八面体（B）位置的Fe原子（Fe_oct），或四面体（A）位置的Fe原子（Fe_tet）。每种替代方案都允许多种掺杂组合；共有42种可能的掺杂配置。

结论

总结来说，我们研究了Cu、Zn和Ga掺杂的CFO系统的结构、磁性、电子、光学性能以及电导率。原始结构的带隙为1.82电子伏特，而Cu掺杂后带隙降至0.13电子伏特。相比之下，Zn（Ga）掺杂体系的带隙仍较大，分别为1.98电子伏特（2.07电子伏特）。与原始样品一样，所有掺杂体系仍保持CFO的铁磁性质。然而，临界温度有所变化。

CRediT作者贡献声明

伊姆兰·汗（Imran Khan）：撰写初稿、进行实验研究、进行正式分析、数据管理。阿卜杜拉（Abdullah）：数据管理。洪志尚（Jisang Hong）：撰写文本、审稿与编辑、验证结果、监督研究、项目管理和资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号：2022M3H4A1A040853）的支持。