Estudio teórico del ferromagnetismo en la superred (VN)1/(GaN)3

Theoretical study of ferromagnetism in (VN)

Usando métodos de primeros principios y basados en la técnica de ondas planas aumentadas y linealizadas (LAPW), se investigaron las propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas de la superred (VN)1/(GaN)3, en la fase wurtzita por ser la configuración mas estable del GaN. Los efectos de intercambio y correlación se trataron empleando la Aproximación del Gradiente Generalizado (GGA), implementada en la parametrización de Perdew, Burke y Ernzerhof (PBE). A partir de los cálculos de la energía total, se encontró que el estado ferromagnético (FM) es enérgicamente más estable, comparado con los estados no-magnético (NM) y antiferromagnético (AFM). El ferromagnetismo ocurre a pesar de que el átomo de vanadio no, es un átomo magnético en su fase natural. En el volumen de equilibrio, el sistema en el estado del ferromagnético, posee un momento magnético total de 2 μB por supercelda. Además, el cálculo de la estructura de bandas y densidad de estados, indican que este sistema posee comportamiento electrónico tipo half-metallic, donde los electrones conducción presentan un 100% de polarización de espín en el nivel de Fermi. Este es un resultado importante pues la superred (VN)1/(GaN)3, puede ser potencialmente útil en la fabricación de inyectores de espín a otros materiales como el ZnO o el mismo GaN.

1. Introducción

Para ayudar al entendimiento y el control de los nuevos materiales en la industria, los estudios teóricos se han convertido en una parte fundamental del diseño de los nuevos dispositivos. Recientemente, el diseño y fabricación de nuevos semiconductores que integran el magnetismo a los dispositivos electrónicos convencionales, son uno de los grandes desafíos en el área de la nanotecnología. Esto se debe principalmente, a que el magnetismo ha desempeñado un papel fundamental en el almacenamiento de información desde la construcción de las primeras computadoras, y se anticipan aumentos dramáticos de la capacidad de almacenamiento con este tipo de nuevos materiales.

Los semiconductores magnéticos (SM), semiconductores dopados con átomos magnéticos, están siendo investigados aceleradamente para el desarrollo de dispositivos en espintrónica. Mientras se han realizado muchos trabajos enfocados en materiales III-V, principalmente (In,Mn)As y (Ga,Mn)As, sus temperaturas de Curie Tc=90K para (In,Mn)As [1] y Tc=172K para (Ga,Mn)As [2] son demasiado bajas para aplicaciones prácticas. La fabricación de  dispositivos  móviles,  requerirá  el  desarrollo de semiconductores que puedan mantener sus propiedades ferromagnéticas, a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. De manera que en los últimos años, la comunidad científica se ha enfocado en estudiar tanto teórica como experimentalmente, semiconductores  magnéticos  alternativos  en  vías de desarrollo de dispositivos que trabajen a temperaturas de Curie más altas [3]. Resulta entonces muy atractivo, desde el punto de vista teórico, estudiar el semiconductor (Ga,V)N, debido a que sus propiedades magnéticas se encuentran íntimamente relacionadas con su estructura electrónica. En el presente trabajo, se investigó el efecto estructural, electrónico y magnético de la sustitución de átomos de Vanadio (V) en la matriz de nitruro de galio (GaN) en una configuración de superred (VN)₁/(GaN)₃.