稀磁半导体模型的量子蒙特卡洛研究

论文摘要

稀磁半导体(DMG)兼具半导体和磁性材料的性质,使同时利用半导体中的电子电荷与电子自旋成可能,为开辟半导体技术新领域以及制备新型电子器件提供了条件。尽管目前对于DMS材料应用的研究尚处于实验探索阶段,但已展示出其广阔的应用前景。然而,我们对稀磁半导体的认识还是十分有限的。客观的说,DMS的基础理论研究,尤其是磁性起源问题的研究存在比较大的困难和争议。人们曾经期待RKKY理论能够解释稀磁半导体材料中的铁磁性,但是后来发现这个模型过于简单,不适合去描述复杂的稀磁半导体系统。最近的研究表明,对于一些DMS系统,RKKY描述甚至彻底失败了。然而,进一步的理论研究却陷入停滞,对与稀磁半导体中的磁性起源问题,至今仍然没有取得共识。本文通过本质上精确的量子蒙特卡洛技术,精确的模拟了模型化的稀磁半导体系统。得出了以下结论,1)在本征的半导体系统中,我们发现了间接的磁相互作用总是铁磁的,并呈现出指数衰减的性质。这种衰减的铁磁行为同有带隙系统中的RKKY相互作用图像符合的很好。说明RKKY图像可以较好的描述本征的半导体系统。2)弱杂化的稀磁半导体系统中,我们发现间接的磁相互作用仍然符合RKKY机制。杂质的自旋相互作用没有发现明显的振荡行为,是由于低载流子浓度条件下,导致了稀磁半导体系统比金属系统中拥有更长的振荡波长。Dietl指出,在这种极限下,RKKY模型可以转变为铁磁性的Zener模型,而振荡是可以忽略不计的。3)强杂化的稀磁半导体系统中,我们发现局域磁矩并未完全湮灭,整个体系仍然存在部分局域的磁矩。但是强的杂化条件下,由于微扰理论不再适用,基于微扰理论的RKKY相互作用在强杂化的稀磁半导体系统中完全的失效了。不仅如此,我们在强杂化的系统中发现了奇特的长程反铁磁相互作用,并和一些理论和实验研究符合的很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 稀磁半导体的理论模型
• 1.2.1 Zener-RKKY理论
• 1.2.2 束缚磁极子理论
• 1.2.3 超交换模型
• 1.3 稀磁半导体的理论研究现状与问题
• 1.3.1 微观磁相互作用仍不清楚
• 1.3.2 多体效应的难解性
• 1.3.3 第一性原理计算的局限性
• 1.4 本文的选题与意义
• 第二章 Hirsh-Fye量子蒙特卡洛技术
• 2.1 Hirsh-Fye量子蒙特卡洛技术简介
• 2.2 Hirsh-Fye量子蒙特卡洛技术的严格推导
• 2.2.1 连续和离散的HUBBARD-STRATONOVICH变换
• 2.2.2 Hirsh-Fye算法的严格推导
• 2.3 Anderson杂质模型的运动方程解法（U=0）
• 2.4 使用Hirsh-Fye算法的简单步骤
• 第三章 计算模型与结果分析
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 稀磁合金
• 3.1.2 稀磁半导体
• 3.2 稀磁半导体系统的计算结果及分析
• 3.2.1 概述--稀磁半导体与RKKY相互作用
• 3.2.2 计算参数
• 3.2.3 本征半导体系统的磁相互作用
• 3.2.4 稀磁半导体系统的磁相互作用
• 3.2.5 局域磁矩的讨论
• 3.2.6 分析与讨论
• 第四章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢