Effect of Single Atom Doping on Structural, Electronic and Magnetic Properties of Hexagonal Silicon Carbide (4H-SiC) for Spintronic Application: A first principle study
- 1. Kaduna State University
- 2. Federal Polytechnic Ede
Description
In this paper, the structural geometry, electronic and magnetic properties of single magnesium (Mg) and vanadium (V) atoms doped 4H-SiC system were investigated. For the structural geometry of each sample, the energy substitution, as well as bond length, were calculated; results obtained indicate that the bond length of Silicon-Magnesium (Si-Mg) and SiliconVanadium (Si-V) was 1.90 Å and 2.02 Å respectively, greater than that of silicon-carbon (SiC) 1.89 Å in pure SiC. This result indicates that the bond length increases due to the introduction of dopants with greater radii than that of Si. It also shows that both Mg and V doping change the structure from non-magnetic ordering to magnetic in nature. The band structure result for both undoped and doped shows the presence of valence band maximum (VBM) and conduction band minimum (CBM) around different symmetry points which indicate an indirect band gap nature. The calculated band gap of pure 4H SiC is found to be ~2.21 eV, which is at a wide band gap material range, but with the introduction of Mg and V dopants, the band gap reduced significantly to ~0.4 eV and ~0.45 eV respectively. The density of state (DOS) and projected density of state (PDOS) show the contributions of the various states in both the VBM and CBM; after doping the Fermi energy is shifted towards higher energy and enters into the conduction band, exhibiting spin polarization. Both DOS and PDOS indicated that the magnetic moments mainly come from the 2p orbitals of Si atoms and 3p for Mg dopant and 3d orbitals for V dopant. The magnetic moment for 4H-SiC/Mg and 4H-SiC/V was calculated to be 2.23 μB and 3.24 μB.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في هذه الورقة، تم فحص الهندسة الهيكلية والخصائص الإلكترونية والمغناطيسية لذرات المغنيسيوم المفردة (Mg) والفاناديوم (V) المشبعة بنظام 4H - SiC. بالنسبة للهندسة الهيكلية لكل عينة، تم حساب استبدال الطاقة، وكذلك طول الرابطة ؛ تشير النتائج التي تم الحصول عليها إلى أن طول رابطة السيليكون والمغنيسيوم (Si - Mg) والسيليكون والفاناديوم (Si - V) كان 1.90 Å و 2.02 Å على التوالي، أكبر من طول رابطة السيليكون والكربون (SiC) 1.89 Å في SiC النقي. تشير هذه النتيجة إلى أن طول الرابطة يزداد بسبب إدخال الإشابة مع أنصاف أقطار أكبر من أنصاف أقطار Si. كما يظهر أن كلا من منشطات المغنيسيوم و الخامس تغير البنية من ترتيب غير مغناطيسي إلى مغناطيسي في الطبيعة. تُظهر نتيجة بنية النطاق لكل من غير المخدر والمخدر وجود الحد الأقصى لنطاق التكافؤ والحد الأدنى لنطاق التوصيل حول نقاط التماثل المختلفة التي تشير إلى طبيعة فجوة النطاق غير المباشرة. تم العثور على فجوة النطاق المحسوبة من 4H SIC النقي لتكون ~2.21 eV، والتي هي في نطاق المواد فجوة واسعة النطاق، ولكن مع إدخال منشطات المغنيسيوم و V، انخفضت فجوة النطاق بشكل كبير إلى ~ 0.4 eV و ~0.45 eV على التوالي. تُظهر كثافة الحالة (DOS) والكثافة المتوقعة للحالة (PDOS) مساهمات الولايات المختلفة في كل من VBM و CBM ؛ بعد تعاطي المنشطات، يتم تحويل طاقة فيرمي نحو طاقة أعلى وتدخل في نطاق التوصيل، مما يُظهر استقطاب الدوران. أشار كل من DOS و PDOS إلى أن اللحظات المغناطيسية تأتي بشكل رئيسي من المدارات 2p لذرات Si و 3p ل Mg dopant والمدارات ثلاثية الأبعاد ل V dopant. تم حساب العزم المغناطيسي لـ 4H - SiC/Mg و 4H - SiC/V ليكون 2.23 ميكرو بايت و 3.24 ميكرو بايت.Translated Description (French)
Dans cet article, la géométrie structurelle, les propriétés électroniques et magnétiques des atomes uniques de magnésium (Mg) et de vanadium (V) dopés au système 4H-SiC ont été étudiées. Pour la géométrie structurelle de chaque échantillon, la substitution d'énergie, ainsi que la longueur de liaison, ont été calculées ; les résultats obtenus indiquent que la longueur de liaison du Silicium-Magnésium (Si-Mg) et du Silicium-Vanadium (Si-V) était de 1,90 Å et 2,02 Å respectivement, supérieure à celle du silicium-carbone (SiC) 1,89 Å dans le SiC pur. Ce résultat indique que la longueur de liaison augmente en raison de l'introduction de dopants avec des rayons plus grands que celui de Si. Il montre également que le dopage au Mg et au V change la structure de l'ordre non magnétique à la nature magnétique. Le résultat de la structure de bande pour les deux non dopés et dopés montre la présence d'un maximum de bande de valence (VBM) et d'un minimum de bande de conduction (CBM) autour de différents points de symétrie qui indiquent une nature de bande interdite indirecte. La bande interdite calculée de SiC 4H pur est d'environ2,21 eV, ce qui correspond à une large gamme de matériaux de bande interdite, mais avec l'introduction de dopants Mg et V, la bande interdite s'est considérablement réduite à ~ 0,4 eV et ~0,45 eV respectivement. La densité d'état (DOS) et la densité d'état projetée (PDO) montrent les contributions des différents états à la fois dans le VBM et le CBM ; après dopage, l'énergie de Fermi est déplacée vers une énergie plus élevée et entre dans la bande de conduction, présentant une polarisation de spin. Les DOS et LES PDO ont indiqué que les moments magnétiques proviennent principalement des orbitales 2p des atomes de Si et 3p pour le dopant Mg et des orbitales 3d pour le dopant V. Le moment magnétique pour 4H-SiC/Mg et 4H-SiC/V a été calculé à 2,23 μB et 3,24 μB.Translated Description (Spanish)
En este artículo, se investigaron la geometría estructural, las propiedades electrónicas y magnéticas del sistema 4H-SiC dopado con átomos de magnesio (Mg) y vanadio (V). Para la geometría estructural de cada muestra, se calculó la sustitución de energía, así como la longitud de enlace; los resultados obtenidos indican que la longitud de enlace de silicio-magnesio (Si-Mg) y silicio-vanadio (Si-V) fue de 1.90 Å y 2.02 Å respectivamente, mayor que la de silicio-carbono (SiC) 1.89 Å en SiC puro. Este resultado indica que la longitud del enlace aumenta debido a la introducción de dopantes con radios mayores que el del Si. También muestra que tanto el dopaje de Mg como el de V cambian la estructura de orden no magnético a magnético por naturaleza. El resultado de la estructura de banda tanto para los no dopados como para los dopados muestra la presencia de un máximo de banda de valencia (VBM) y un mínimo de banda de conducción (CBM) alrededor de diferentes puntos de simetría que indican una naturaleza de banda prohibida indirecta. Se encuentra que la brecha de banda calculada de 4H SiC puro es de ~2.21 eV, que se encuentra en un rango de material de brecha de banda ancha, pero con la introducción de dopantes de Mg y V, la brecha de banda se redujo significativamente a ~ 0.4 eV y ~0.45 eV respectivamente. La densidad de estado (DOS) y la densidad de estado proyectada (PDO) muestran las contribuciones de los diversos estados tanto en el VBM como en el CBM; después del dopaje, la energía de Fermi se desplaza hacia una energía más alta y entra en la banda de conducción, exhibiendo polarización de espín. Tanto DOS como PDOS indicaron que los momentos magnéticos provienen principalmente de los orbitales 2p de los átomos de Si y 3p para el dopante Mg y los orbitales 3d para el dopante V. El momento magnético para 4H-SiC/Mg y 4H-SiC/V se calculó en 2.23 μB y 3.24 μB.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تأثير منشطات الذرة الواحدة على الخصائص الهيكلية والإلكترونية والمغناطيسية لكربيد السيليكون السداسي (4H - SiC) للتطبيق Spintronic: دراسة مبدئية أولى
- Translated title (French)
- Effet du dopage à atome unique sur les propriétés structurelles, électroniques et magnétiques du carbure de silicium hexagonal (4H-SiC) pour l'application spintronique : une première étude de principe
- Translated title (Spanish)
- Efecto del dopaje de un solo átomo en las propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas del carburo de silicio hexagonal (4H-SiC) para aplicación espintrónica: un estudio de primer principio
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4387432477
- DOI
- 10.47514/phyaccess.2023.3.1.001