Mn掺杂GaAs稀磁半导体的第一性原理研究(2)
1. 结构模型和计算方法
1.1 结构模型
GaAs的晶体结构如图1，这个化合物的空间群是F-43M（NO. 216）。实验上的晶格常数是a = b = c = 5.76309Å ，每个晶胞模型中含有4个Ga原子和4个As原子。为了构造在实验Mn掺杂GaAs体系的掺杂浓度[8]（0. 005～0. 08）范围内的掺杂体系Ga1-xMnxAs，基于GaAs构造了2×2×2的超晶胞，如图2，其中两个Ga原子被Mn原子取代，得到掺杂浓度为2/32，相当于实际取的Mn掺杂浓度为6.25%。通过将图2中的上下面和左右面上的Mn原子分别取相同的磁序取向、相反的磁序取向及不考虑其磁性的情况下得到Ga1-xMnxAs（x = 0.625）的铁磁（FM），反铁磁（AFM），顺磁（NM）三种不同的构型。
图1 GaAs的晶体结构 图2 Ga1-xMnxAs的晶体结构（x = 0.625）
1.2 计算方法
本文中关于Ga1-xMnxAs (x = 0, 0.625)体系的电子结构域磁性特征的计算采用的是VASP计算模拟程序包[20]，电子间的交换关联势是来自该程序包基于投影缀加平面波[21]的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)势[22]. Ga1-xMnxAs体系中的Ga, Mn, As的价电子分别取4s2 4p1, 3d64s1和4s24p3。整个工作中平面波截断能取350 eV。K点是通过使Monkhorst软件来自动取得到的[23]。计算中的K点分别取11×11×11, 5×5×5的Monkhorst-Pack网格来优化图1和图2晶胞和超晶胞模型，总能量差小于10−5 eV 时自洽循环计算停止，而对于电子结构特性相应的计算Monkhorst-Pack网格取优化时的两倍。
2. 计算结果与讨论
2.1 GaAs的电子结构
首先计算研究了纯的GaAs晶体的电子结构，包括总体的态密度和各元素的分态密度如图3。从图3可以看出纯净的GaAs晶体的总的态密度图特点。计算结果表明，由于纯净的GaAs是无磁性的，其电子结构是上下对称的，因此可以不研究磁性，只画出其自旋向上的态密度分。GaAs总的态密度显示出半导体特性（费米面附近态密度在能量区间段内存在零值），带隙约为1.0 eV（费米面（EF）附近态密度为零的能量间隔范围），分波态密度可以显示Ga以As的态密度峰值几乎完全对应，表明Ga和As之间的轨道杂化明显，主要体现共价键特征。在-5eV到-2.5eV, As的态密度与Ga的态密度基本相同，在-2.5 eV到0 eV，As的态密度大于Ga的态密度，电子倾向于As离子排布。在0 eV 到5eV内，Ga的态密度大于As的态密度, 说明Ga的未占据态较多。
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