A03:ĊĻŋŞİŜĴłŝŅĴĻzĞq¿ċÏÆţÍ7$ŠøD?®Uš!lÆţP¤·ŠïDx šPGćććŠøD šććććîTúÎŠøD?®Uš¬µÀÄćĊĻŋŞİŜĴłŝŅĴĻ

zĞq¿ċ ¬µÏÆÍ7$ŠøD?®Uš ¬µ!lÆ

P¤·ŠïDx š PGŠøD š îTúÎŠøD?®UĆ¢Ã¬H23.4š èv¬µÆą¤«2ŠºDš ðÅËŠøD?®Uš }ŠøD¢¬š
 4¤,ŠøD?®Uš 2ý¸ŠøDńŇš à ¾ŠøD šÚĈŁĸĮŞKăĵśşōĚĞÂNĜèvĉ

KÖKăĻŋŞİŜĴłŝŅĴĻ zĞŁĸĮŞĚĕĞKÖĉ

ÚĈŁĸĮŞ`%!lÍĈ2Ĉ4¤






PĈà

ışĽşNjĞõ§Ě+OĻŋŞłŝŅĴĻŁŉĮĻŁĸĮŞą¤Ĉ}

ńŇç#dĝĦĩ+OĻŋŞłŝŅĴĻ zŁĸĮŞĞKÖKăZnTe½ĈGaN½P¤'éÌFßĝĦĩĀÓ-&Ô»ķşŃĞõ§Ě­¦{gĞĀ¥#dîTĈðĀ¥Øá­)0ãĞKÖKăńŇç#dĝĦĩ+OĻŋŞłŝŅĴĻ zÕÔ+OĻŋŞłŝŅĴĻ u§gŠªİņśĳşšĈĄæĈĄþ´ĞİŜĴłŝŅĴĻ ­g+Oć(Dilute magneticsemiconductor; DMS)

(Ga, Mn)As(In, Mn)As

TC ~ 190 K
TC ~ 90 K

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) 367DMSĞ­gĬ¹.
ďħ ĔĩĉĄčĲŗŚş]ĬcĩĖĤĝ
ğĄ]ŃşŋŞĵĐeÑDMSĝĎĒĩ<g (Al, Cr)N (Ge, Mn)Experiments.
Singh et al., APL 86 (2005)12504,Gu et al., JMMM 290-291(2005)1395.
T. Devillers et al., PRB 76 (2007) 205306.
Ploog et al., J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 1756
Martinez-Criado et al., APL 86 (2005) 131927.

 DMSę­g¾ğ^č<!XĬ¯Ĕĉ ©!ÿĞ#d ńŇçĞÈWÀÄ)Ğ#d
 (Ga, Cr)N (Ga, Mn)N§ÏĞM
 +OĻŋŞłŝŅĴĻĞĖĤĞzÕÔ©!ÿĬk#ēĘĄ]&Ĭ1ÇĝĔĩĉ


(Ga, Mn)AsĝĎĒĩCuĞ5ŃşŋŞĵ

Li(Zn, Mn)X, X=N, P, As©!ÿÝĬ´¨ĝ"£ĔĩŠńŇçĞÈWÀÄ)š


(Ga, Mn)AsĞ©!ÿĞÒCu-Ni3ïęĞVDŏśľį'DMSĞg(Cd, Mn)Te, (Zn, Cr)Te, (Ga, Mn)AsĞMCD

 KKR-CPAōŝĵřŔõ§ŌśőŀŞĹŖśKKRĝĎĒĩär@Ð p-=CuAlO2ĞâO

(GA, MN)ASĝĎĒĩ5ŃşŋŞĵ
L. Bergqvist, K. Sato, P. H. Dederichs and H. Katayama-Yoshida,Phys. Rev. B in printing“Atomic diffusion in semiconductors” sec. 6(ed. D. Shaw, Plenum press, 1973)

 Êĝ­g+OĞ­g¾Ğ:]ğč ­g¾+5ŃşŊŞł
3İņśĳşĞ :]Ğ~ ÐĝĦĩĲŗŚş]Ğ ióbĞĭŅşŚŞĵ5ŃşŊŞłĞù/ Őşś]Ğ~ ĲŗŚş]Ğ~ ĭŅşŚŞĵĝ"Ĝ5ŃşŊŞĚĬëġeÑĐČĩGö¾

(GA, MN)AS + INTERSTITIALS
1000

 Li, CuţGaAsę(a)Temperature [K]Mixing energy [mRy]3210
without codopant
H:20%
Li:3%
Na:3%
K:3%-1-2

Temperature [K]Mixing energy [mRy]210
without codopant
Be:3%
Mg:3%
Ca:3%-2400

Li: 0%
binodal line
spinodal line

Temperature [K]10łĚēĘ nwüBĎĦĠMn-CuÁ3İņśĳşĞÔ»
 nwĞĹœŗŜşĹŘŞ

800
600
40001000

2 Cuĥ5ŃşŊŞ

(b)

200

3Mixing energy [mRy]ĞĄænw600

200

3-180001000

Li: 5%(c)

800
600
400-1
without codopant
B:3%
Al:3%-2200

Li: 10%003Mixing energy [mRy]

H. Fujii, K. Sato, et al.,Appl. Phys. Express accepted.

0.20.40.6
Mn concentration

0.8

1F = E M  TS

2S = k B [(1  c)log(1  c) + c logc]

10-1without codopant
Cu:3%
Ag:3%-2020

4060
Mn concentration [%]

80

100

E M = E[Ga1c Mn c As + D]
cE[GaAs + D]  (1  c)E[MnAs + D]

F: Free energy
T: temperature
S: entropyFILLED TETRAHEDRAL SEMICONDUCTORSJuza et al., Angew. Chem. 7 (1968) 360
Wood et al., PRB 31 (1985) 2570
J. Masek et al., PRL 98 (2007) 067202.

 ô

ñò=ç + Gö Li

 Ga3+As3-Ć Zn2+As3- + Li1+
 Zn2+ Ć Mn2+: Ąč:] Li]Ğ#dęĲŖŚĭ#dĐ1Ç

 ĲŗŚş]Ğ ĭŅşŚŞĵĞĹœŗŜşĹŘŞ
 Li(Zn, Mn)P, Li(Zn, Cr)PĜě

ĞŒŀŚĭśŁĸĮŞTC(MFA) AND DOS OF LI(ZN, MN)P S. Fujimoto and K. Sato [<@äĝĦĩĲŗŚş]ĞÔ» Li(Zn, Mn)PLi¶HĝĦĨŐşśŃşōĚĜĨ^­gĐ§Ĕĩ Mn-dhğĀGYĞìĝDđĜpZĬoėĆp-dt© £ ŐşśŃşŋŞĵĞ'ğňşŌŕļśgĐEīĪĩĚĂ7Ĕĩ6ĝČĩĉ ĲŗŚş]Ğ¼NÔ» Li¶HĞnwĹœŗŜşĹŘŞ

TC(MFA) DOS OF LI(ZN, CR)P

S. Fujimoto and K. Sato [<@äĝĦĩĲŗŚş]ĞÔ» Li(Zn, Cr)PCr-dhğĳŖĿōĝ¾ŉŞŃĬ_iĔĩĆ ít© £ Li¶HĝĦĨCrĄ]ā>ęĞĲŗŚş]Đ~ ĲŗŚş]Ğ¼NÔ»
 Li¶HĞnwĹœŗŜşĹŘ

Ş(GA, MN)ASĝĎĒĩ©!ÿÝĞÒ
K. Lawniczak-Jablonska et al., and K. Sato, Phys. Stat. Sol. RRL 5 (2011) 62-64.

 GaMnAsĞĭŅşŚŞĵĆcubicGaMnAs + hexagonal MnAs

 Cubic©ĞMn]=20%
 TCĞÚďħcubic©ĐL³]ĞĲŗŚş]Ĭ ēĘčĩĉ

CU-NI ALLOY
A. Sugihara et al., Appl. Phys. Exp. 3 (2010)
065204.

 Cu-Ni3ïĝĎĒĩVDŏśľį' Cu-NiĞ©!ÿĚĞ©÷ Cu-NiĞ©9ĎĦĠńŇçĞÈWÀÄ)ĹœŗŜşĹŘŞ

N. D. Vu, et al., Appl. Phys. Exp. 4 (2011) 015203.

 $


M. Ogura and H. Akai, PRB 82 (2010) 184426.
状態密度m=0m=+1

光学伝導（吸収部分）

EFm=-1ps

光吸収に寄与するのは主に p→s の励起。スピン軌道相互作用によりp状態は図のように分かれる。
DOSα (105cm-1)

Total
Mn-d20Imσxyσxy spin down

2-6-4-202

吸収係数
42014

photonenergyEnergy relative to the Fermi energy (eV)Δα (104cm-1)

DOS (1/eV/unit cell or atom)(Cd1-xMnx)Te

6EFMCD0-1

σxy spin up0123
MCDスペクトルの概形はImσxyで決まる。
↑スピン電子の励起は負→正のMCDスペクトルを作る（↓は逆）。
Photon energy (eV)
↑スピン状態はMn d状態と混成して広がるために、吸収スペクトルは低エネルギー側にシフトする。そのため、全体としては負→正→負→正というMCDスペクトルが得られる。

4

(Ga1-x-yMnx Asy)As (y=0.009)
Total
Cr-d2

吸収係数
α (105cm-1)(Zn1-xCrx)Te

DOS (1/eV/unit cell or atom)ホール

02-6-4-2024MCDEF
α (105cm-1)

DOSΔα (103cm-1)

Energy relative to the Fermi energy (eV)

6 吸収係数
4x = 0.01x = 0.02x = 0.03

4206420-20212Photon energy (eV)3Imσxyσxy spin down

photonenergy

σxy spin up

ホールの寄与Δα (104cm-1)

02 MCD

GaMnAsではMn濃度の増加によってMCDスペクトルが増加することが観測されている。

10-10123Photon energy (eV)

強磁性を示すZnCrTeはハーフメタルで↑スピン状態にホールが存在する。
価電子帯からこのホールへの励起は正のMCDを作るため、スペクトルは全体的に正の方向にシフトする。

4Exp.
K. Ando et al.,PRL 100 (2008)
067204.

このMCDの変化もMn濃度の増加によって↑スピンのホールが増加することによって説明できる。
強磁性を示すサンプルから得られるスペクトルはホールへの励起を考慮した理論計算と一致。
→GaMnAsでの強磁性発現には↑スピン状態でのキャリアが関係している。

"%#!& $%  n (r') n' (r')
V (r) = 2 
dr' + 2  dr'r  r'r+R
r'Rnn'n'nn

Poisson方程式

1=  ALL' r l r'l' YL (r)YL' (r')
n'r + R  r'RLL'

多重極展開

n(4  ) 2 (1) lY (R  Rn' )ALL' =
CLL' L"l +l',l" (2l"1)!! L" n l"+1
(2l + 1)!!(2l'+1)!! L"
Rn  Rn'
この展開は Rn  Rn'  r + r' のとき（左図）のみ正しい。しかし、実際の計算では右図のようなケースもあり、この展開だけでポテンシャルを記述しようとすると格子歪み／緩和などを扱う上で問題となる。

r'rRn'  Rnrr'Rn'  Rn

近接場補正のアイデア：
Gonis (PRL 66 (1991) 2207) ・・・・・・・・・・隣のセルを重ならないようにシフトさせて展開する
Weinert (J. Math. Phys. 22 (1981) 2433) ・・・・・・  をなめらかな関数に置き換えてフーリエ変換
Sack (J. Math. Phys. 5 (1964) 260) ・・・・・・・・・・ Rn  Rn'  r + r' 以外の場合の展開の解析解
Zabloudil et al. (Electron Scattering in Solid Matter, 2005) ・・・・・・・・展開せずに数値的に解く

例1：fcc Alのポテンシャル
Gonis法以外の補正は基本的に同じ結果を与える。

Coulomb potential (Ry)

0.40.20.0

multipole expansion
Gonis
WeinertSack
Zabloudil

-0.2
2.0

2.5

3.0r (a.u.)

3.5

r

4.0

例2：fcc Cuでの正方歪み
補正なし

Totoal energy (Ry)

6x10lmx = 8lmx = 10lmx = 12lmx = 14lmx = 16420-2-0.02

-0.01

0.00
Distortion 

0.01

0.02

Total energy (Ry)-46x10-4

補正あり

420-2-0.02

-0.01

0.00
Distortion 

0.01

0.02

ポテンシャルを球面調和関数で展開する時、角運動量が足りないと不正確になるが、角運動量を増やすと全エネルギーに異常が現れる。近接場補正を入れることで異常がなくなる。

  ##     "Nel = 25.3 → Nel = 25.8
 $ 0.449→0.870"    ()806→727
'    &   *"+'%   

Tc reaches to 44 K when Nel = 25.7〜25.8.
■A. Nakanishi、H. Katayama-Yoshida, JPSJ, APEX, (2011) .

Multiferroic Material  

N. A. Spaldin and M. Fiebig,Science 309, 391 (2005)
P. Currie, J. Phys. 3, 393 (1894)

Magnetoelectricity:
Control of P (M) via a magnetic (electric) field
Possible applications:•Magneto-electric RAM (electric write/magnetic read)•Four-state memoryImproper Ferroelectricity
Ferroelectricity (FE)

no inversion symmetry

In “improper” ferroelectrics, electric polarization is not the only order parameter of thephase transition. Rather, other order parameters (spin, charge or orbital orders) play animportant role.•“Improper”• Electron degrees offreedom break IS• “Correlation”-driven
Spin-order
AFM or Spiral

Orbital-order
Mn3+

Charge-order

Mn4+
b (stripe)

HoMnO3a (chain)

Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7
LuFe2O4

H22i§Ï ;ûÜE-MRSŠmaÛŢš GCOE-ICNDRŠÊÛ3ĈőĻļş3ĈmaÛ4š ICPS30Š1šĈPASPS6Š1š IUMRS-ICEM2010ŠmaÛ1š
 Psi-k2010Š3šĈAPS-march meeting(1š ;I IŠ3š PASPS15Š2š R¤±IpÉÞ8ōŝĵřŔĊńŇĻĶşśĞ.GçĎĦĠĀGhĚĕĞC)Ğ ÚÕÔċŠ2š *Då¬5ōŝĺįĴł¬µ¬µĊ¹.
•f£ċ×Ô»jĞõ§H22i§ÏÚy§Ï

















Interstitial donor codoping method in (Ga, Mn)As to increase solubility limit of Mn and Curie temperature, H.
Fujii, K. Sato, L. Bergqvist, P. H. Dederichs and H. Katayama-Yoshida, Appl. Phys. Express accepted.
Computational Materials design for high-TC (Ga, Mn)As with Li codoping, L. Bergqvist, K. Sato, H. KatayamaYoshida and P. H. Dederichs, Phys. Rev. B in printing.
Giant Peltier effect in self-organized quasi-one-dimensional Nanostructure in CuNi-Alloy, N. D. Vu, K. Sato andH. Katayama-Yoshida, Appl. Phys. Express 4 (2011) 015203 (3pages)
First principles materials design of negative activation energy and transparent conducting sulfides in n-typeCuAl1-xSnxS2 and p-type Cu1-xVCuxAlS2, Y. Tani, K. Sato and H. Katayama-Yoshida, Appl. Phys. Express 4 (2011)021201 (3pages).
Design of self-organized spinodal nano-decompostion for high-efficiency photovoltaic solar cells in II-VI
compound semiconductor alloys, M. Oshitani, K. Sato and H. Katayama-Yoshida, Appl. Phys. Express 4 (2011)022302(3pages).
Pressure-induced structural transition and enhancement of energy gap of CuAlO2, A. Nakanishi and H.
Katayama-Yoshida, J. Phys. Soc. Jpn. 80 (2011) 024706.
The source of room temperature ferromagnetism in granular GaMnAs layers with zinc blende clusters, K.
Lawniczak-Jablonska, J. Libera, A. Wolska, M. T. Klepka, P. Dluzewski, J. Sadowski, D. Wasik, A. Twardowski,
A. Kwiatkowski, K. Sato, Phys. Stat. Sol. RRL 5 (2011) 62-64.
Materials Design of Spinodal Nanodecomposition in CuIn1-xGaxSe2 for High-efficiency Solar energy conversion,
Y. Yani, K. Sato and H. Katayama-Yoshida, Appl. Phys. Express 3 (2010) 101201 (3pages).
First-principles theory of dilute magnetic semiconductors, K. Sato, L. Bergqvist, J. Kudrnovsky, P. H.
Dederichs, O. Eriksson, I. Turek, B. Sanyal, G. Bouzerar, H. Katayama-Yoshida, V. A. Dinh, T. Fukushima, H.
Kizaki, R. Zeller, Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 1633.

H22(MŠģĚĤš ĻŋŞłŝŅĴĻ zĞÕÔ GaMnAsĝĎĒĩGöLi, CuĞ5ŃşŋŞĵ LiZnAsļĮō­g+OĞÕÔ IV-VI|ŎşĻ­g+OĞÕÔ ©!ÿĞ zÕÔĢĞf£ Cu-NiĝĎĒĩ©!ÿĚVDŏśľį' DMSĞg (Ga, Mn)AsĞMCDĻŏĴłś

 KKRĞōŝĵřŔõ§ PŠH22.10.1 - H23.3.25, Prof. Ebert, U Muenchen )

H23\]

J+OĻŋŞłŝŅĴĻzÕÔê²ïQĞĄ]&5ŃşŋŞĵĞsGö¾ĞnwĹœŗŜşĹŘŞ
Filled tetrahedral DMS: ¡AÙ7gććMg2Si-DMS©!ÿĬ£čĖŒŀŚĭśŁĸĮŞFe-Cr, Fe-Ni3ïĞ©!ÿŒśľŌįŝĮĿĴßĞq¿Š°SšO(N)-KKRĞõ§

N. A. Spaldin and M. Fiebig,Science 309, 391 (2005)
P. Currie, J. Phys. 3, 393 (1894)