Etude des propriétés électroniques et magnétiques des matériaux II-VI et III-V dopé par les ions terre rares pour les applications en électronique de spin

Abstract

Dans cette étude, en utilisant les calculs DFT + U, nous examinons les propriétés structurelles, optiques et magnétiques du ZnS et GaP dopé au Ce, en mettant l'accent sur l'ingénierie de la bande interdite et l'induction d'états ferromagnétiques. Notre analyse théorique indique que le dopage au Ce modifie substantiellement la structure électronique du ZnS et GaP, réduisant la bande interdite du ZnS de 3,37 eV dans le matériau pur à 2,8 eV pour un niveau de dopage de 12 %. Cette réduction de la bande interdite est attribuée à la formation d'états localisés Ce-4f dans la bande interdite, permettant des transitions optiques sub-bandes interdites, comme le montre l'augmentation de l'absorption à la fois dans les spectres infrarouge et visible. Pour Le GaP l’incorporation de Ce introduit des états localisés dérivés de 4f proches du niveau de Fermi, conduisant à une réduction marquée de la bande interdite. De plus, l'incorporation d'ions Ce3+ introduit des états ferromagnétiques en raison des orbitales 4f partiellement remplies, rompant la symétrie temporelle et permettant des fonctionnalités dépendantes du spin. En contrôlant précisément le dopage au Ce, les propriétés optiques et magnétiques du ZnS peuvent être finement ajustées, ce qui en fait un matériau prometteur pour des applications avancées telles que les diodes électroluminescentes, les phosphores, les détecteurs infrarouges et les dispositifs spintroniques. Cette étude offre un examen complet des effets du dopage au Ce dans le ZnS et souligne son potentiel dans les technologies optoélectroniques et spintroniques de nouvelle génération.