正电子湮没谱学理论与技术研究稀磁半导体中磁性起源及磁耦合机制

Dilute magnetic semiconductors (DMSs) have attracted increasing attention in the past decade because of their promising technological applications in the ?eld of spintronics. A lot of groups focus their efforts on the topic of magnetic origin, while no agreed mechanism of observed ferromagnetism (FM) was established clearly. This topic will rigorously analyze the relationship between the magnetic properties and microstructures in some of DMSs by using positron annihilation spectroscopy, which was proved to be a sensitive tool for study of microstructures and defects in materials. Based on the positron facilities in the State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics of China, we will study the magnetic mechanisms in DMSs, including origin of D0 magnetism, defect-induced FM, and the effect of microstructures on the coupling between magnetic ions. Besides, we will develop efficient Positron Age-momentum Correlation spectrometer (AMOC) to demonstrate the annihilation behavior of positrons in DMSs. Moreover, the first-principle calculation and positron theoretical calculation also will be developed to study the spin-density states and magnetic interaction in different magnetic microstructures. We will try to give original insight in magnetic origin and coupling mechanism in different magnetic systems。Research on this topic will provide theoretical basis for spintronics application and benefit the development of information technology in the future.

稀磁半导体（DMSs）作为自旋电子学器件的核心材料融合了半导体和铁磁特性，研究其磁性起源及微观磁耦合机制成为材料科学和信息技术领域前沿热点。本课题依托国家重点实验室的正电子装置平台，利用先进的正电子湮没技术能够灵敏观察材料微观结构和点缺陷的独特优势，深入分析某些DMSs中磁性和微结构之间的关系，d0磁性的起源，以及缺陷对过渡金属离子之间磁耦合的影响等问题。在实验上发展高效率的正电子湮没寿命-动量关联谱仪，研究正电子在稀磁半导体中的湮没行为。在理论上基于密度泛函的第一性原理计算以及正电子理论计算软件计算不同掺杂和缺陷条件下微观体系的磁矩及自旋密度分布，研究DMSs的磁耦合机制，并对半导体缺陷在不同条件下的磁耦合机制给出深入的见解。本课题将通过正电子实验研究和磁性理论计算相结合给出清晰的稀磁半导体材料微观磁结构图像，为自旋电子学器件研发以及未来信息技术发展提供理论和实验的基础。

本项目利用先进的正电子湮没谱学技术研究了稀磁半导体材料的磁性起源及微观磁耦合机制，分析了空位缺陷和掺杂对磁性的影响，揭示了离子注入材料引起磁性的机制是离子注入引起空位缺陷。我们研究发现N注入GaN形成的剩余铁磁性并不是N离子的复合缺陷，而是N注入引起的Ga空位缺陷。Zn离子注入SiC样品中引入室温铁磁性也是Zn注入形成的Si空位引起的。我们通过C/N/O离子注入调控MgO磁有序的方法提高了材料的铁磁性能，结果显示，O离子注入产生的Mg空位有利于提高MgO中缺陷的总体铁磁耦合表现，此结论在O离子注入Al2O3单晶材料实验中得到进一步证实。这些研究对理解磁性的起源提供了重要的依据。本项目发展了基于重构全势的缀加平面波方法（FLAPW）计算的精确正电子寿命与亲合势计算方法，提出了正电子-电子关联近似的两种新的梯度修正形式，并与实验谱分析方法进行详细综合评价，探索了基于贝叶斯推断、卡方统计和马尔科夫链蒙特卡罗方法的实验寿命谱的精确解谱方法，并对理论预言的正电子体寿命可靠性的统计性检验。详细分析了谱参数之间的关联性及多种参数估计方法的影响。统计结果显示，理论值与实验值之间的方均根误差可以达到约3.5ps。基于量子蒙特卡罗计算的梯度修正的增强因子所计算的正电子体寿命理论值与多次测量所得到的实验值之间的差异已经进入了噪声水平。本项目还利用Geant4软件分别模拟多种伽马射线探测器几何尺寸和空间布局，克服常规谱仪时间分辨和计数率的限制因素，采用井型晶体结构和特殊的空间布局，成功研制出了高计数率的正电子湮没寿命-动量关联谱仪（AMOC），计数率超过170cps，时间分辨小于280ps,为研究微观磁性和正电子湮没态与磁性的关系提供了重要手段，也是本项目最重要的亮点。