Abstract
The electronic structure of (Zn,Mn)O diluted magnetic semiconductors was investigated theoretically from first principles by using the fully-relativistic Dirac linear muffin-tin orbital band structure method with the local spin-density approximation (LSDA) and the LSDA+U approach. The X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectra at the Mn, Zn, and O K and Mn L 2,3 edges were investigated theoretically from first principles. The origin of the XMCD spectra in these compounds was examined. The effect of oxygen vacancy atoms was found to be crucial for the X-ray magnetic dichroism at the Mn L 2,3 edges. The calculated results are compared with available experimental data.
Similar content being viewed by others
References
J. K. Furdyna, Appl. Phys. Lett. 64, R29 (1988).
H. Cao, Z. Pei, J. Gong, C. Sun, R. Huang and L. Wen, J. Solid State Chem. 177, 1480 (2004).
T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert and D. Ferrand, Science 287, 1019 (2000).
K. Ueda, H. Tabata and T. Kawai, Appl. Phys. Lett. 79, 988 (2001).
C. Liu, F. Yun and H. Morko, J. Mater. Sci. — Mater. Electron. 16, 555 (2005).
T. Fukumura, Z. Jin, M. Kawasaki, T. Shono, T. Hasegawa, S. Koshihara and H. Koinuma, Appl. Phys. Lett. 78, 958 (2001).
A. Tiwari, C. Jin, A. Kivt, D. Kumar, J. F. Muth and J. Narayan, Solid State Commun. 121, 371 (2002).
S. W. Jung, S. J. An, G. Yi, C. U. Jung, S. Lee and S. Cho, Appl. Phys. Lett. 80, 4561 (2002).
X. M. Cheng and C. L. Chien, J. Appl. Phys. 93, 7876 (2003).
P. Sharma, A. Gupta, K. V. Rao, F. J. Owens, R. Sharma, R. Ahuja, J. M. O. Guillen, B. Johansson and G. A. Gehring, Nat. Mater. 2, 673 (2003).
S. W. Yoon, S. B. Cho, S. C. We, S. Yoon, B. J. Suh, H. K. Song and Y. J. Shin, J. Appl. Phys. 93, 7879 (2003).
V. A. L. Roy, A. B. Djurisic, H. Liu, X. X. Zhang, Y. H. Leung, M. H. Xie, J. Gao, H. F. Lui and C. Surya, Appl. Phys. Lett. 84, 756 (2004).
J. Luo, J. K. Liang, Q. L. Liu, F. S. Liu, Y. Zhang, B. J. Sun and G. H. Rao, J. Appl. Phys. 97, 086106 (2005).
N. S. Norberg, K. R. Kittilstved, J. E. Amonette, R. K. Kukkakapu, D. A. Schwartz and D. R. Gamelin, J. Am. Chem. Soc. 126, 9387 (2004).
D. P. Norton, S. J. Pearton, A. F. Hebard, N. Theodoropoulou, L. A. Boatner and R. G. Wilson, Appl. Phys. Lett. 82, 239 (2003).
J. Appl. Phys. 87, 4712 (2000).
K. R. Kittilstved, N. S. Norberg and D. R. Gamelin, Phys. Rev. Lett. 94, 147209 (2005).
S. S. Kim, J. H. Moon, B. T. Lee, O. S. Song and J. H. Je, J. Appl. Phys. 95, 454 (2004).
S. Kolesnik, B. Dabrowski and J. Mais, J. Appl. Phys. 95, 2582 (2004).
F. Bondino, K. B. Garg, E. Magnano, E. Carleschi, M. Heinonen, R. K. Singhal, S. K. Gaur and F. Parmigiani, J. Phys. Condens. Matter 20, 275205 (2008).
K. Kikoin, Low Temp. Phys. 35, 58 (2009).
K. Sato and H. Katayama-Yoshida, Semicond. Sci. Technol. 17, 367 (2002).
D. Iuan, B. Sanyal and O. Eriksson, J. Appl. Phys. 101, 09H101 (2007).
O. Mounkachi, A. Benyoussef, A. El Kenz, E. H. Saidi and E. K. Hlil, J. Appl. Phys. 106, 093905 (2009).
Y. Uspenskii, E. Kulatov, H. Mariette, H. Nakayama and H. Ohta, J. Magn. Magn. Mater. 258, 248 (2003).
D. Karmakar et al., Phys. Rev. B 81, 184421 (2010).
L. V. Bekenov, V. N. Antonov, S. Ostanin, A. N. Yaresko, I. V. Maznichenko, W. Hergert, I. Mertig and A. Ernst, Phys. Rev. B 84, 134421 (2011).
T. Chanier, M. Sargolzaei, I. Opahle, R. Hayn and K. Koepernik, Phys. Rev. B 73, 134418 (2006).
X. Feng, J. Phys. Condens. Matter 16, 4251 (2004).
W. Yan et al., Appl. Phys. Lett. 91, 062113 (2007).
P. Gopal and N. A. Spaldin, Phys. Rev. B 74, 094418 (2006).
Y. He et al., Phys. Rev. B 78, 155202 (2008).
E. Liu, Y. He and J. Z. Jiang, Appl. Phys. Lett. 93, 132506 (2008).
D. Iušan, R. Knut, B. Sanyal, O. Karis, O. Eriksson, V. A. Coleman, G. Westin, J. M. Wikberg and P. Svedlindh, Phys. Rev. B 78, 085319 (2008).
A. L. He, X. Q. Wang, Y. Q. Fan and Y. P. Feng, J. Appl. Phys. 108, 084308 (2010).
A. S. Risbud, N. A. Spaldin, Z. Q. Chen, S. Stemmer and R. Seshadri, Phys. Rev. B 68, 205202 (2003).
N. A. Spaldin, Phys. Rev. B 69, 125201 (2004).
M. H. F. Sluiter, Y. Kawazoe, P. Sharma, A. Inoue, A. R. Raju, C. Rout and U. V. Waghmare, Phys. Rev. Lett. 94, 187204 (2005).
E. Badaeva, Y. Feng, D. R. Gamelin and X. Li, New J. Phys. 10, 055013 (2008).
P. F. L. L. Zhao, Z. Y. Yu, X. T. Guo, Y. Shen, H. Ye, G. F. Yuan and L. Zhang, J. Appl. Phys. 108, 113924 (2010).
L. Petit, T. C. Schulthess, A. Svane, Z. Szotek, W. M. Temmerman and A. Janotti, Phys. Rev. B 73, 045107 (2006).
K. Sato et al., Rev. Mod. Phys. 82, 1633 (2010).
M. Sukkar and H. Tuller, Advances in Ceramics, edited by M. F. Yan and A. H. Heuer (American Ceramic Society, Columbus, Ohio, 1983), Vol. 7, p. 71.
G. D. Mahan, J. Appl. Phys. 54, 3825 (1983).
K. I. Hagemark, J. Solid State Chem. 16, 293 (1976).
J. S. Choi and C. H. Yo, J. Phys. Chem. Solids 37, 1149 (1976).
A. W. Sleight and R. Wang, Solid-State Chemistry of Inorganic Materials, edited by P. K. Davies, A. J. Jacobson, C. C. Torardi and T. A. Vanderah (Materials Research Society, Pittsburgh, 1996), Vol. 453 of MRS Symposia Proceedings, p. 323.
J. W. Hoffman and I. Lauder, Trans. Faraday Soc. 66, 2346 (1970).
E. Ziegler, A. Heinrich, H. Oppermann and G. Stöver, Phys. Status Solidi A 66, 635 (1981).
Bo Gu, N. Bulut and S. Maekawa, J. Appl. Phys. 104, 103906 (2008).
T. Shinagawa, M. Izaki, K. Murase, T. Uruga, T. Nakamura, Y. Matsumura and Y. Awakura, J. Electrochem. Soc. 153, G168 (2006).
J. H. Guo, A. Gupta et al., J. Phys. Condens. Matter 19, 172202 (2007).
Y. J. Kang, D. S. Kim, S. H. Lee, J. Park, J. Chang, J. Y. Moon, G. Lee, J. Yoon, Y. Jo and M. H. Jung, J. Phys. Chem. C 111, 14956 (2007).
P. Thakur, K. H. Chae, J. Y. Kim, M. Subramanian, R. Jayavel and K. Asokan, Appl. Phys. Lett. 91, 14956 (2007).
T. C. Droubay, D. J. Keavney, T. C. Kaspar, S. M. Heald, C. M. Wang, C. A. Johnson, K. M. Whitaker, D. R. Gamelin and S. A. Chambers, Phys. Rev. B 79, 155203 (2009).
N. R. S. Farley, K. W. Edmonds, A. A. Freeman, G. van der Laan, C. R. Staddon, D. H. Gregory and B. L. Gallagher, New J. Phys. 10, 055012 (2008).
A. D. Trolio, R. Larciprete, S. Turchini and N. Zema, Appl. Phys. Lett. 97, 052505 (2010).
F. Schoofs, T. Fix, A. M. H. R. Hakimi, S. S. Dhesi, G. van der Laan, S. A. Cavill, S. Langridge, J. L. MacManus-Driscoll and M. G. Blamire, J. Appl. Phys. 108, 053911 (2010).
C. A. Johnson, K. R. Kittilstved, T. C. Kaspar, T. C. Droubay, S. A. Chambers, G. M. Salley and D. R. Gamelin, Phys. Rev. B 82, 115202 (2010).
P. Thakur, K. H. Chae, M. Subramanian, R. Jayavel and K. Asokan, J. Korean Phys. Soc. 53, 2821 (2008).
P. Thakur, S. Gautan, K. H. Chae, M. Subramanian, R. Jayavel and K. Asokan, J. Korean Phys. Soc. 55, 177 (2008).
A. A. Freeman et al., Phys. Rev. B 77, 073304 (2008).
Y. Jiang et al., J. Phys. Conf. Ser. 190, 1 (2009).
V. N. Antonov, H. A. Dürr, Y. Kucherenko, L. V. Bekenov and A. N. Yaresko, Phys. Rev. B 72, 054441 (2005).
V. N. Antonov, O. Jepsen, A. N. Yaresko and A. P. Shpak, J. Appl. Phys. 100, 043711 (2006).
V. N. Antonov, A. N. Yaresko and O. Jepsen, Phys. Rev. B 81, 075209 (2010).
O. K. Andersen, Phys. Rev. B 12, 3060 (1975).
V. V. Nemoshkalenko, A. E. Krasovskii, V. N. Antonov, V. N. Antonov, U. Fleck, H. Wonn and P. Ziesche, Phys. Status Solidi B 120, 283 (1983).
S. Saib and N. Bouarissa, Physica B 387, 377 (2007).
P. E. Blöchl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).
J. P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 78, 1396 (1997).
G. Kresse and J. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
J. Perdew and Y. Wang, Phys. Rev. B 45, 13244 (1992).
P. E. Blöchl, O. Jepsen and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 49, 16223 (1994).
J. L. Campbell and T. Parr, At. Data Nucl. Data Tables 77, 1 (2001).
V. I. Anisimov, J. Zaanen and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 44, 943 (1991).
A. N. Yaresko, V. N. Antonov and P. Fulde, Phys. Rev. B 67, 155103 (2003).
W. E. Pickett and D. J. Singh, Phys. Rev. B 53, 1146 (1996).
F. M. F. de Groot, J. C. Fuggle, B. T. Thole and G. A. Sawatzky, Phys. Rev. B 42, 5459 (1990).
J. Schwitalla and H. Ebert, Phys. Rev. Lett. 80, 4586 (1998).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Antonov, V.N., Bekenov, L.V., Mazur, D.V. et al. X-ray magnetic dichroism in (Zn,Mn)O diluted magnetic semiconductors: First-principles calculations. Journal of the Korean Physical Society 60, 1915–1922 (2012). https://doi.org/10.3938/jkps.60.1915
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.3938/jkps.60.1915