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本研究は、単一サイトコヒーレントポテンシャル近似では表すことのできない局所環境効果をクラスター埋め込み法により電子状態計算に取り入れることを目的とする。特に希薄磁性半導体に注目し磁気的、電気的な特性に局所環境効果が及ぼす効果について調べる。
本年度は、KKR-CPA-LDA電子状態計算パッケージに上記の方法を取り入れ、単一サイト近似による磁気的交換相互作用計算法(リヒテンシュタインによる方法)と、本研究で開発した局所環境効果をとりいれた計算法(クラスター埋め込み法)を用いて、希薄磁性半導体の磁気的交換相互作用における局所環境効果の影響を調べた。その結果、特に第一近接原子間の磁気的相互作用が局所環境効果の影響を大きく受けることがわかった。また、局所環境効果は非常に大きく、不純物の配置によって磁気的相互作用は大きくばらつき、符号を変える場合もあることが示された。磁気的相互作用は不純物配置に大きく依存し、磁気的相互作用の分布は不純物配置により分類できる。
以上の計算で、Mn不純物が高濃度に集まった場合、Mn間の磁気的相互作用が反強磁性的になり、スピントロニクスへの応用に必要な強磁性が失われる可能性が示唆された。一方、希薄磁性半導体は一般に溶解度ギャップを持つ系で熱平衡状態では相分離をおこし高濃度領域を作る傾向がある。具体的な計算機材料設計として、同時ドーピング法により相分離を抑制し母体半導体に遷移金属を高濃度に添加する方法を提案した。例えばGaMnNの場合、Mnのみの添加の時は混合エネルギーは正の大きな値となり相分離をおこすことがわかるが、Mnと同時に0を添加することで、混合エネルギーが大きく減少し、Mn濃度の低い領域では負の値となる。これは同時ドーピングがMnの高濃度均一添加に有効であることを示している。
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