A03:「スピンエレクトロニクス
A03:
スピン レクトロ クス
材料の探索」
佐藤和則（阪大基礎工）
小田竜樹（金沢大数理）研究組織 「スピンエレクトロニ
ク 材料の探索」
クス材料の探索」• 研究代表者▫ 佐藤和則（阪大基礎工）• 研究分担者▫ 小田竜樹（金沢大数理）▫ 小倉昌子（阪大理）▫ 野崎隆行（産総研）• 連携研究者▫ 黒田眞司（筑波大）▫ 鈴木義茂（阪大基礎工）▫ 朝日一（阪大産研）
朝日 （阪大産研）▫ 吉田博（阪大基礎工）▫ 下司雅章（阪大ナノ）▫ 赤井久純（阪大理）

理論、デザイン実験グルー
実験グル
プとの緊密な連携。
実証実験
スピンエレ
クトロニク
ス材料のデザインとそ
そ理論、デザインザインの実証。

役割分担
デザイン実証実験

金属系スピントロニク
ス

実証実験 デザイン

半導体スピントロニクス

佐藤 下司 吉田佐藤、下司、吉田

ナノ構造制御による半導体スピント
ロニクス材料設計

小倉、赤井

オーダーN手法の開発と半導体スピン
トロニクスデバイスデザイン

黒田 朝日
黒田、朝日

ナノ構造制御による半導体スピント
ロニクス材料デザインの実証実験
ZnTe系、GaN系

小田

有効遮蔽媒質法による電解印加計算
コードの開発と磁気異方性の電界制
御野崎、鈴木

電界誘起磁化反転の実証実験

LiZnAsベース磁性半導体の材料設計
ベ磁性半導体 材料設計
Computational materials design for LiZnAsbased magnetic semiconductors

藤本悟智人、佐藤和則、吉田博
藤
藤
阪大基礎工
S. Fujimoto, K. Sato, H. Katayama-Yoshida
Osaka Univ.
Univ

Introduction

Homogeneous highconcentration doping isdifficult because of thepphaseseparation.
p

Spintronics = charge + spin
F Dilute
il magnetic
i semiconductors(DMS)i d(S)
F– Carrier induced ferromagnetism– (Ga, Mn)As, (In, Mn)As: TC < RT.
F

For high-TC, high concentrationp g is necessary.
ydoping

S. A. Wolf et al, Science 294 (2001) 1488
T. Dietl Semicond. Sci. Tech. 17 (2002) 377,
K. Sato et al., Semicond. Sci. Tech. 17 (2002) 367

Experiments. Singh et al., APL 86 (2005)12504
Gu et al., JMMM 290-291(2005)1395.
T. Devillers et al., PRB 76 (2007) 205306.

FProposep
new materials,, where
homogeneous high concentration
doping is possible. ⇒ LiZnAs-basedDMSFilled tetrahedral semiconductors
Masek et al., PRL 98 (2007) 067202
LiZnAs• Zinc blende structure +interstitial Li (half-Heusler)• Ga3+As3⇒ Zn2+As3- + Li1+
• Zn2+ Mn2+: High solubility▫ EForm(MnZn in LiZnAs)=~ -3(eV)Mahadevanal., PRB 68 (2003)
075202.
▫ EForm(Mn+1 (eV)Ga inetGaAs)=~• Carrier control by Li addition(removal)• PhasePhseparation
i iis alsolJuza et al.,controlledAngew. Chem. 7 (1968)360
bycarrierdoping.
v. G. Achenbach et al., Z. Anorg. Allg. Chem. 476 (1981) 9.

Calculation of magnetic properties of DMS

K. Sato et al., RMP 82 (2010) 1633.
L. Begqvist et al., PRL 93 (2004) 137202
K. SatoS et al.,l PRB 700 (2004) 201202

FKKR-CPA-LDA→MACHIKANEYAMA2002(Akai)F

Exchange interactions by Liechtenstein’s
formula• Statistical method for TC▫ Mean field approximation (MFA)▫ Random
R dphase
happroximationii (RPA)▫ Monte Carlo simulation (MCS)Stability of homogeneous Li(Zn,Li(Zn Mn)As• Mixing energy of Li(Zn, Mn)AsEM = E[LiZn
E[LiZ 1−x Mn
M x As]A ]−xE[LiMnAs]− (1− x)E[LiZnAs]
E: Total energy
x: concentration of Mn▫ Upward convexity⇒ Phase separation▫ Downward convexity
homogeneous mixingordered phase▫ → The presently investigatedsystems favor phase separation.

• By introducing VcLi, we canreduce
dtheh mixing energy.

co-doping method:
L. Bergqvist et al. PRB 83 (2011) 165201.
H. Fujii et al., APEX 4 (2011) 043003.

Phase diagram of Li(Zn,Li(Zn Mn)As• Free energy F of two
component alloyll
T: temperature
F = E M − TS S: entropy

S = −kB [(1 − x)log(1 − x) + x log(x)]• Phase diagram• Binodal line: commontangent∂ 2F• Spinodal
pline:2 =0∂c
• Spinodal decomposition issuppressed by introducing Livacancies.

TC(MFA) andd DOSof Li(Zn, Mn)As• TC by the mean fieldparamag.
approximation PM:approximation.
FM: ferromag.
kBTC =2 E(PM ) − E(FM )3x• Li(Zn, Mn)As▫ Li vacancy introduces
idholes and induces
ferromagnetism▫ p-d exchange mediates
ferromagneticinteractions.

Electron doping in Li(Zn,Li(Zn Mn)As• Electron doping by Liint▫ Eform(Liint in LiZnAs)= 0 ~ -1 (eV)• Suppression
ppof spinodal
pdecomposition• Ferromagnetism is inducedby the electron doping.

RRecent
experimentiZ. Deng et al., Nature Commun.
2:422, (2011, Aug.) 1-5.

• Solid-state reaction• XRD• dc-magnetization, μSR• Hall effect p-type
p type▫ Li at Zn substitutionalsite

TC(MFA) and DOSof Li(Zn,( , Cr)As)• TC is calculated by themean fieldapproximation.
• Li(Zn, Cr)As▫ Ferromagnetic state isstable.
stable▫ double exchangemechanism dominates▫ Hole doping is effective
to raise TC for Cr highconcentration region.
gSummary• First-principles TC calc. of DMS▫ Hybridymethod = ab initio exchange
g const. + Monte Carlo▫ Reliable TC calculations are possible.
▫ For high-TC, high concentration doping is needed, however
solubility of Mn is very low in DMS.
DMS• New material: Li(Zn,( , Mn)As)
1.
2.
3.
4.

Formation energy of MnZn is negative.
By introducing VcLi , Liint (‘co-doping’), we can control
the phase separation and magnetism.
magnetism
Recent experiments: Li1.1(Zn0.85, Mn0.15)As, TC ~ 50 (K)Cr doping is also promising.