掺杂 V、Cr 和 Mn 的 CdTe 与 HgTe——量子反常霍尔效应的前景
摘要
我们使用第一性原理计算研究了与量子反常霍尔效应（QAHE）相关的 (Cd,V)Te、(Cd,Cr)Te、(Hg,V)Te 和 (Hg,Cr)Te 的性质，例如 V 和 Cr 衍生的能级位置以及磁性离子之间的交换相互作用。我们考虑了含有 12.5% 阳离子取代型 V 或 Cr 离子的 CdTe 和 HgTe，并与众所周知的 (Cd,Mn)Te 和 (Hg,Mn)Te 情况进行比较，分别考察了它们用于制造铁磁势垒或铁磁拓扑量子阱的适用性。为了考虑过渡金属 d 电子的强关联，我们采用了具有不同混合参数 aHSE 的混合泛函，重点关注 aHSE = 0.32，该参数能更好地重现 HgTe、CdTe、Hg0.875Mn0.125Te 和 Cd0.875Mn0.125Te 的实验带隙。我们发现，与 Mn 类似，Cr 表现为等电子掺杂剂，但 V 在 CdTe 中可以是带隙内施主，在 HgTe 中可以是共振施主，类似于 HgSe 中 Fe 的情况。从磁性角度来看，在广义梯度近似（GGA）中，Cr 掺杂导致铁磁相，但在混合泛函中相互作用变为反铁磁。然而，在两种交换关联泛函中，(Hg,V)Te 都是铁磁体，这与 (Hg,Mn)Te 形成鲜明对比，后者在理论和实验上均发现了稳健的反铁磁耦合。此外，我们确定 Jahn-Teller 效应仅在 Cr 掺杂情况下是相关的。考虑到基于 HgTe 的量子阱中缺陷浓度低于 (Bi,Sb)3Te2 层，我们的结果表明，含有 V 或 Cr 的 HgTe 量子阱或 (Cd,Hg)Te 势垒相比基于 (Bi,Sb,Cr,V)3Te2 的 QAHE 系统具有优势，但 (i) 铁磁耦合是否会在 Cr 的情况下占主导地位，以及 (ii) V 是否不会向量子阱引入过多电子，仍需通过实验检验。
引用
@article{arxiv.2312.16732,
title = {CdTe and HgTe doped with V, Cr, and Mn -- prospects for the quantum anomalous Hall effect},
author = {Giuseppe Cuono and Carmine Autieri and Tomasz Dietl},
journal= {arXiv preprint arXiv:2312.16732},
year = {2024}
}
备注
12 pages, 10 figures. Accepted in Phys. Rev. B