第一原理計算による遷移金属-ZnO系透明強磁性体の物質設計

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440089
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 吉田 博 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30133929)
• 研究分担者: 白井 光雲 大阪大学, 産業科学研究所, 助教授 (60178647) ; 播磨 尚朝 大阪大学, 産業科学研究所, 助教授 (50211496)
• キーワード: 酸化亜鉛 / 物質設計 / 透明強磁性体 / 第一原理計算 / スピントロニクス / ハーフメタル / 強磁性半導体 / スピングラス

研究概要

本研究では、経験的パラメータ(実験データ)を一切含まない第一原理電子状態計算により、ZnOなどの単極性を持つ透明なワイドギャップ半導体を低抵抗p型の透明金属化するための新しい価電子制御法を理論的に探索し、つぎに3d遷移金属を高濃度にドープして、p-d混成を制御することにより光を通して透明で、しかも強磁性体状態が安定な新物質を実現するための物質設計のガイドラインを探索した。3d遷移金属を半導体中に高濃度にドープして、常磁性状態、反強磁性もしくはスピングラス状態、および強磁性状態の全エネルギーを比較し、強磁性状態実現のための条件を探り、強磁性発現機構を明らかにし、強磁性出現のための一般則を導き、多くの新強磁性半導体物質についての物質設計を行った。具体的には、経験的パラメータ(実験データ)を一切含まない第一原理電子状態計算により、3d遷移金属不純物をZnOに高濃度にドープして、不純物の3d電子準位を変えることによりp-d混成を制御して、可視光を通して透明な強磁性体状態およびスピングラス状態の計算に基づいてマテリアルデザインデータを完成した。これにより、強磁性半導体やハーフメタル磁性半導体については、第一原理計算でそれらの物性が予言できる方法を確立し、強磁性の安定化エネルギーおよび強磁性転移温度(Tc)の原子番号依存性、母体半導体依存性、アクセプター・ドナーなどによるキャリア温度依存性の計算を行い、これらの系の物性予測を行った。これらは最近になって、本研究グループの物質設計に基づいて、実際に透明強磁性半導体が非平衡結晶成長法により合成された。また、アクセプターおよびドナーをドープすることによる強磁性状態とスピングラス状態の安定性に関するデータベースを基に、強磁性体金属状態からスピングラス状態、スピングラス状態から強磁性金属への転移を利用した、脳型メモリーや脳型演算装置などの半導体スピントロニクス用のデバイスデザインをおこなった。

研究成果

• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Ab into study on the magnetism in ZnO-, ZnS-, ZnSe, and ZnTe-based diluted magnetic semiconductors.[Invited Paper]"Phys.stat.sol.. (b)229. 673-680 (2002)
• [文献書誌] T.Nishimatsu, H.Katayama-Yoshida, N.Orita: "Ab initio study of donor-hydrogen complexes for low resistive n-type diamond semiconductor"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.41,Part1,No.4A. 1952-1962 (2002)
• [文献書誌] 吉田博, 佐藤和則: "第一原理計算による物質設計"化学工業. Vol.53、No.4. 1952-1962 (2002)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "First principles materials design for semiconductor spintronics.[Invited Paper]"Semicond.Sci.Technol.(Special issues : Semiconductor spintronics, Guest editor : H.Ohno). 17. 367-376 (2002)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida, K.Sato, T.Yamamoto: "Materials design for new functional semiconductors by ab initio electronic structure calculation-Prediction vs.experiment-"JSAP International. 6. 20-27 (2002)
• [文献書誌] A.Masago, H.Katayama-Yoshida, N.Suzuki: J.Phys.Soc, Jpn.Suppl.. 71. 184-186 (2002)
• [文献書誌] H.Nakayama, H.Katayama-Yoshida: "Ab initio Design on the Diamond Synthesis Method by Core Excitattion"Jpn.J.Appl.Phys.. 41. L817-L819 (2002)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida: "Materials Design by Ab Initio Electronic Structure Calculation"Materials Integration, Special Issue for Inter Material on Materials Integration(1). 15. 28-40 (2002)
• [文献書誌] 白井光雲, 吉田博: "第一原理分子動力学法(Osaka2000)の開発と応用"固体物理. 37巻. 521-525 (2002)
• [文献書誌] K.Sato, P.H.Dederichs, H.Katayama-Yoshida: "Curie temperature of III-V diluted magnetic semiconductors calculated from first-principles"Europhysics Letters. (To be published). (2003)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida, K.Sato: "Materials design for semiconductor spintronics by ab initio electronic-structure calculation"PhysicaB. (To be published). (2003)
• [文献書誌] K.Sato, P.H.Dederichs, H.Katayama-Yoshida: "Exchange interaction in diluted magnetic semiconductors"Phys.Rev.Lett.. (To be published). (2003)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida, T.Koyanagi, H.Funashima, H.Harima, A.Yanase: "Engineering of nested Fermi surface and transparent conducting p-type Delafossite CuAlO_2:Possible Lattice Instability or Transparent Supercounductivity?"Solid State Communications. (To be published). (2003)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida, P.H.Dederichs: "Curie temperatures of III-V diluted magnetic semiconductors calculated from first-principles in mean field approximation[Invited Paper]"J.Supercond.. (To be published). (2003)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida, K.Sato: "Spin and Charge Control Method of Ternary II-VI and III-V Magnetic Semiconductors for Spintronics : Theory vs.Experiment[Invited Paper]"J.Phys.Chem.Solid.. (To be published). (2003)
• [文献書誌] T.Koyanagi, H.Harima, A.Yanase, H.Katayama-Yoshida: "Materials Design for the Fabrication Transparent Conducting Oxides of p-type Delafossite CuAlO_2 by Super-cell FLAPW Method"J.Phys.Chem.Solid.. (To be published). (2003)