稀磁性半导体的研究进展

从根本上说主要是由于自旋电子之间的交换作用使得磁性半导体具有磁性。经常用于解释磁性半导体的磁性起源的交换作用模型有描述绝缘体中磁性的直接交换作用和超交换作用、载流子媒介交换作用和描述部分氧化物中掺杂磁性的束缚磁极化子模型。

传统铁磁金属之间的铁磁耦合用直接交换作用机制来描述，而金属氧化物、硫化物、氟族化合物以及铁氧体中的反铁磁性或亚铁磁性则用超交换作用机制来描述。

超交换作用又可以称作间接交换作用，其特点就是磁性原子间的相互作用是通过中间的阴离子间接完成的。超交换作用的哈密顿量可以通过海森堡模型来描述，此时的交换积分符号取决于金属氧化物的键角和过渡金属的d 电子组态。

通常来说，如果磁性金属离子3d 轨道态的电子数达到或超过半满，那么由它构成的离子性化合物呈反铁磁性；如果磁性金属离子3d 轨道态的电子数不到半满，那么由它构成的离子性化合物呈铁磁性；但是否具有铁磁性还需考虑金属氧化物的键角和过渡金属的d 电子的组态。

研究磁性半导体类材料的常用方法是第一性原理计算。常用的有密度泛函理论赝势平面波方法、基于格林函数方法和基于原子轨道线性组合方法等。铁磁性半导体的居里温度也有很多种理论计算方法。

如统计力学贝斯－皮埃尔斯方法和蒙特卡罗方法；外斯分子场近似方法；贝特派厄耳外斯近似方法；高温展开法；格林函数方法等。这些方法适用的范围不同，比如高温展开的方法适用于居里温度附近；而外斯分子场近似和格林函数的方法适用于较宽温度范围；统计力学方法是从动力学着眼研究居里温度。其中外斯分子场近似方法简单易行，常常用来估计居里温度的大致范围。不足之处是这种方法得到的居里温度常常高于实际温度。