Mn掺杂GaAs中由替代-间隙复合体导致的铁磁性

虽然大多数关于铁磁半导体GaAs:Mn性质的计算都集中在孤立的Mn替代Ga位（Mn$_{Ga}$）上，但我们在此研究其他晶格位点是否更受青睐，以及这可能带来的磁性后果。在生长时普遍存在的富As（贫Ga）条件下，我们发现Mn$_{Ga}$的形成能低于间隙Mn（Mn$_i$）。随着费米能通过外部$p$型掺杂向价带最大值移动，Mn$_i$的形成能相对于Mn$_{Ga}$降低。此外，在外延生长条件下，替代和间隙Mn的溶解度都远高于体生长条件下的可能值。在p型材料外延生长过程中获得的高浓度Mn为Mn原子形成小团簇提供了可能性。我们考虑了各种类型的团簇，包括涉及两个Mn$_{Ga}$和一个Mn$_i$的库仑稳定团簇。虽然孤立的Mn$_i$是空穴杀手（施主），因此会破坏铁磁性，但发现诸如Mn$_{Ga}$-Mn$_i$-Mn$_{Ga}$这样的复合体比涉及Mn$_{Ga}$-Mn$_{Ga}$-Mn$_{Ga}$的复合体更稳定。前者表现出空穴的部分或完全淬灭，但这些复合体中的Mn$_i$为复合体内两个Mn$_{Ga}$上的自旋铁磁排列提供了通道。这表明Mn掺杂GaAs中的铁磁性既源于孤立Mn$_{Ga}$产生的空穴，也源于强库仑稳定的Mn$_{Ga}$-Mn$_i$-Mn$_{Ga}$团簇。