Abstract -max plank

---

An ab-initio investigations on the magnetic properties of (Co, N) doped ZnO 

and (Co, C) doped GaN 

S. Ramasubramanian, S. Munawar Basha, J. Kumar and M. Rajagopalan* 

Crystal Growth Centre, Anna university, Chennai -60025, India 

[e-mail] 

 

Gallium  Nitride  and  Zinc  Oxide  are  the  most  actively  investigated  semiconductors  for 

applications  in  optoelectronics.  The  physical  and  chemical  properties  of  these  materials  are  highly 

suitable for  high temperature environment and for space applications. Dietl et al [1] have predicted that 

transitional metal doping in these semiconductors would make them suitable for ferromagnetism at room 

temperature.  After  that  several  investigations  have  been  carried  out  in  analyzing  the  properties  of  TM 

doped ZnO & GaN as Dilute Magnetic semiconductors (DMS) for the spin based applications. We have 

investigated  the  magnetic  properties  of  cobalt  doped  ZnO  and  GaN  with  an  additional  anion  element. 

Our experimental results showed room temperature magnetism in both (Co, N) doped ZnO and (Co, C) 

doped GaN systems.  

In  the  study  of  (Co,N)  doped  ZnO,  a  super  cell  of  72  atoms  have  been  generated  to  perform 

lower percentage of doping (3%) and the spin based electronic structures were obtained by performing 

the  self-consistent  calculation  using  the  FP-LAPW    method  as  implemented  in  WIEN2K  code.  The 

calculations were carried out for different combinations of Co occupying the Zn site and N occupying O 

site like  - i) Co and N bonded together and ii) Co and N  are far  from  each other. These  combinations 

reveal that the spin polarized Co atom increases the magnetic moment of the shortest bonded atom with 

not much change in the total magnetic moment of the system (4µ

B

). The energetically favorable position 

is when Co and N are bonded together; there is a mutual exchange of spin between Co – N in their p-d 

hybridization  which  results  in  slight  increase  in  the  magnetic  moment  at  Co  site  (2.67  µ

B

).  In  this 

configuration, the magnetic moment of  the N  and O in the tetrahedral  bonding with Co is found to  be 

0.36  µ

B

  and  0.12  µ

B

  respectively.  The  effect  of  O  and  Zn  vacancies  in  the  magnetic  properties  of  the 

(Co,  N)  doped  ZnO  system  hae  also  been  investigated.  Interestingly,  the  creation  of  Zn  vacancy  has 

found  to  increase  the  magnetic  moment  of  the  bonded  anions.  The  calculations  revealed  that  with 

creation of defects and additional (N) doping one can control the magnetic moments in ZnCoO system. 

In  the  case  of  (Co,  C)  doped  GaN,  the  electronic  structures  were  obtained  by  performing  self-

consistent calculation using TB-LMTO method. Like the previous case, the calculations were carried out 

for  different  positional  substitutions  and  defect  formations.  The  introduction  of  carbon  in  the  GaCoN 

system  is  found  to  increase  the  magnetic  moment  of  cobalt  (2.95  µ

B

).  Either  the  distance  between  Co 

and C or the site occupancy is found to have significant role in determining the magnetic moment of the 

system.  Even  if  there  is  an  underestimation  of  the  bandgap  in  the  used  scheme  (LDA),  the  positional 

occupancy  of  the  Co  and  C  tends  to  change  the  electrical  behavior  i.e  magnetic  with  half-metallic  or 

semiconducting nature in this system. The Co – C –Co bonding is found to be energetically favorable to 

yield magnetism in the (Co, C) doped GaN system. 

Reference: 

1.

 

T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert and D. Ferrand, Science 287(2000) 1019.