برهمكنش ذرات مغناطيسي افزوده شده در نيمرساناهاي معدني و آلي

دكتري

نيمرساناهاي مغناطيسي رقيق يا به¬اختصار DMS پل ارتباطي بين مغناطيس و نيمرسانايي هستند. نيمرساناي مغناطيسي رقيق، يك نيمرساناي غيرمغناطيسي است كه با ميزان كمي ناخالصي مغناطيسي آلاييده شده است. غلظت كم يون¬ مغناطيسي موجب مي¬شود كه ساختار بلوري نيمرساناي ميزبان و خواص نيمرسانايي اوليه حفظ شود. بدين ترتيب افزودن كاركردهاي جديد با حفظ كاركردهاي قبلي، امكان استفاده از فناوري رايج صنعت الكترونيك به عنوان فناوري پايه و زيربنايي در اسپينترونيك را فراهم مي¬سازد. در حوزه اسپينترونيك آلي نيز اندازه¬گيري¬هاي مغناطش و مغناترابرد وجود فرومغناطيس در نيمرساناهاي آلي را آشكار كرده است. آناليز اين مواد، ناخالصي مغناطيسي به ميزان بسيار كم و در حد رقيق را نشان داده است. در مشابهت با نيمرساناهاي مغناطيسي رقيق معدني، اين نيمرساناهاي آلي در دسته جديدي به نام نيمرساناهاي مغناطيسي آلي رقيق يا DOMS قرار داده مي شوند. براي سنتز موفق يك نيمرساناي فرومغناطيس دما بالا با قابليت كنترل و تنظيم خواص نيمرسانايي و مغناطيسي ناگزير بايد درك درستي از منشأ و مكانيسم رفتار مغناطيسي اين تركيبات به¬دست آيد. در اين رساله تلاش شده است با استفاده از نظريه تابعي چگالي نسبيتي خواص ساختاري، الكتروني و مغناطيسي برخي از نيمرساناهاي مغناطيسي رقيق بررسي شوند. در حوزه تركيبات معدني، نيمرساناي مغناطيسي رقيق بر پايه اكسيدروي با ناخالصي منگنز و كبالت در حضور تهي¬جاي كاتيوني به صورت جفت همسايه نزديك يون مغناطيسي- تهي¬جا به صورت ZnO:(Co,vacancy) و ZnO:(Mn,vacancy) در رژيم نسبيتي اسكالر و با تابعي GGA+U براي در نظر گرفتن اثرات همبستگي الكتروني، بررسي شد. علاوه بر وجود ناخالصي مغناطيسي، ديگر نقص¬هاي ساختاري از جمله تهي¬جا نيز مي¬تواند در نيمرسانا مغناطيس القا كند. محاسبات مغناطيسي اين رساله نشان داد كه تهي¬جاي كاتيوني در حضور يون مغناطيسي كبالت، حالت اسپيني سه¬گانه خود را حفظ مي-كند. يون مغناطيسي كبالت نيز در حالت اسپين بزرگ قرار دارد و جفت¬شدگي گشتاور مغناطيسي اسپيني آن با گشتاور مغناطيسي تهي¬جا به¬صورت فرومغناطيس است. بر خلاف روند مشخص در رفتار مغناطيسي ZnO:(Co,vacancy)، نيمرساناي ZnO:(Mn,vacancy) آلاييده با منگنز نسبت به تغييرات كوچك چه در موقعيت اتم¬ها و چه در ميزان همبستگي الكتروني در قالب پارامتر U حساسيت نشان مي-دهد. در ساختارهاي ايده¬آل جفت¬شدگي مؤثر بين ناخالصي منگنز و تهي¬جا به¬صورت فرومغناطيس است. در ساختارهاي ريلكس شده يون مغناطيسي در اكسيژن¬هاي همسايه خود نيز قطبش اسپيني القا مي¬كند. توزيع يكنواختي در مقدار گشتاور مغناطيسي اكسيژن¬هاي همسايه تهي¬جا و همسايه يون مغناطيسي مشاهده مي¬شود كه با گشتاور مغناطيسي منگنز به صورت آنتي¬فرومغناطيس جفت شده¬اند. در حوزه تركيبات آلي، اتم مغناطيسي مي¬تواند بخشي از ساختار شيميايي نيمرساناي مورد بررسي يا به صورت اتم برجذبي روي سطح ماده آلي باشد. در خانواده فتالوسيانين¬هاي فلزي با فلز واسط d3 (از اسكانديم تا مس) محاسبات انرژي نشان داد كه تمامي اتم¬هاي فلزي بستگي شديدي در حدود eV 10 به فتالوسيانين دارند. به¬جز فتالوسيانين نيكل كه گشتاور مغناطيسي صفر دارد، تمامي ديگر تركيبات مغناطيسي هستند. با توجه به اهميت كاربردي ناهمسانگردي مغناطيسي و مغناطش مداري و همچنين ناتواني محاسبات GGA در تخمين درست گشتاور مداري، در اين رساله براي اولين بار در مطالعه فتالوسيانين¬هاي فلزي، تصحيح مغناطش مداري روي تابعي تبادلي- همبستگي GGA انجام شد. همخواني نتايج به¬دست آمده در مورد FePc با داده¬هاي تجربي موجود، نشان از توانايي اين تصحيح در بازتوليد نتايج تجربي دارد. محاسبات نسبيتي با تصحيح قطبش مداري، انرژي ناهمسانگردي مغناطيسي بزرگي به اندازه meV 5/51 متناظر با گشتاور مداري قابل توجه به بزرگي 𝜇B 38/1 در راستاي در- صفحه براي فتالوسيانين واناديم نشان مي¬دهد. در مطالعه نيمرساناهاي آلي با اتم مغناطيسي برجذبي، برجذب دو اتم فلز واسط آهن و كبالت روي مولكول كورونن بررسي شد. محاسبات نسبيتي اسكالر نشان مي¬دهد گذار اسپيني بين حالت اسپين بزرگ و حالت اسپين كوچك در هر دو كمپلكس Fe-coronene و Co-coronene با تغيير فاصله تعادلي اتم برجذبي تا مولكول كورونن همراه است. در حالي كه محاسبات GGA پيوند كووالانسي قوي بين اتم برجذبي با مولكول كورونن را نشان مي¬دهند، نتايج حاصل از اعمال دافعه كولني در قالب پارامتر هابارد U در رهيافت GGA+U، نشان از مكانيسم برجذب فيزيكي در هر دو كمپلكس دارد. مغناطيس حالت پايه در هر دو كمپلكس به بزرگي پارامتر هابارد U نيز حساس است. محاسبات كاملا نسبيتي با اعمال تصحيح قطبش مداري در كمپلكس Fe-coronene به ازاي پارامتر هابارد 2 الكترون ولتي، ناهمسانگردي مغناطيسي در- صفحه و به ازاي پارامتر هابارد 4 الكترون ولتي، ناهمسانگردي خارج- از- صفحه را نتيجه مي¬دهد. در مقابل، نتيجه حاصل از اعمال دافعه كولني U بر كمپلكس Co-coronene ناهمسانگردي مغناطيسي در- صفحه است. خواص مغناطيسي و ساختاري برجذب سري فلزات واسط d3 بر دو مولكول آلي ديگر، اليمپيسين و كورانولن نيز بررسي شدند. با توجه به محاسبات انرژي بستگي، به¬جز منگنز، ديگر فلزات واسط تمايل دارند روي سطح اليمپيسين برجذب شوند و پايدارترين كمپلكس، Ni-Olympicene است كه ساختاري كمي خميده دارد. بزرگ¬ترين گشتاور مداري نيز براي آهن برجذبي روي اليمپيسين به بزرگي 𝜇B 18/0 در تصحيح OP محاسبه شده است. در بررسي خواص ساختاري و مغناطيسي فلزات واسط d3 برجذبي روي هر دو سطح كاو و كوژ كورانولن نيز مشخص شد فلزات واسط بيشتر تمايل دارند روي سطح كوژ برجذب شوند. اتم برجذبي كبالت نيز روي هر دو سطح گشتاور مداري بزرگ در حدود 𝜇B 5/0 نشان داد.

194212

دانشگاه علم و صنعت ايران

فيزيك حالت جامد

دكتر مهدي افشار ارجمند