Physicochemical conditions for the stability of manganese-doped nanolayers of gallium arsenide and its isoelectronic analogues

Abstract

In this paper research of stability of nanolayers of manganese doped materials of AIIIBV and AIIBIVСV 2 types holding much promise as spintronic semiconductor compounds is described. The method of non-local density functional has been applied to calculate bonding energies {εij (r)} in atomic pairs for structures of AIIIBV and AIIBIVСV 2 types and for MnAs. According to the calculations of internal energy, entropy and free energy of Helmholtz (Т = 298 К), in the context of used models, addition of manganese to the arsenide’s AIIIBV and AIIBIVСV 2 nanolayers affects its stability in different ways depending on its morphology and substitution mode. However, a critical instability in nanofilm leading to the tendency of growing of a new phase germ may be formed under any manganese concentrations. This leads to deterioration of electrophysical parameters of magnetic semiconductor compounds that is agreed with experimental data.

В работе представлено исследование устойчивости нанослоев полупроводниковых соединений типа AIIIBV и AIIBIVСV 2 легированных марганцем. Для расчета параметров {εij (r)}- энергий связей пар атомов в структурах - AIIIBV и AIIBIVСV 2 и MnAs использовался метод нелокального функционала плотности. Расчеты внутренней энергии, энтропии и свободной энергии Гельмгольца (Т = 298 К) в рамках заявленных моделей свидетельствуют о том, что введение марганца в нанопленки арсенидов AIIIBV и AIIBIVСV 2 по-разному сказывается на их устойчивости в зависимости от морфологии и модели замещения. Однако при любых концентрациях марганца возможно образование критической неустойчивости в нанопленке и появление термодинамической тенденции в сторону роста зародыша новой фазы MnAs, что ведет к ухудшению электрофизических параметров магнитного полупроводника в согласии с экспериментальными данными.