By first-principles density functional calculations with generalized gradient approximation ZnO:Co (101¯0) thin films have been demonstrated not to exhibit a ferromagnetic behavior in the absence of any additional carrier doping. Virtual crystal approximation is employed to introduce controlled hole concentrations by N codoping in dilute concentrations of 1–5 at. %. The results show that N codoping can change the ground state from antiferromagnetic to ferromagnetic while maximum ferromagnetic state stability occurs for a N concentration of 2 at. % which is practically achievable. Density of states analyses confirm that the substitutional N in the ZnO:Co thin film provides shallow acceptor states. N codoping is suggested to be a promising technique to realize p-type dilute magnetic semiconducting thin films in the dominantly paramagnetic ZnO:Co (101¯0) system.

1.
J. K.
Furdyna
,
J. Appl. Phys.
64
,
R29
(
1988
).
3.
W.
Prellier
,
A.
Fouchet
, and
B.
Mercey
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
R1583
(
2003
).
4.
S. A.
Chambers
,
T. C.
Droubay
,
C. M.
Wang
,
K. M.
Rosso
,
S. M.
Heald
,
D. A.
Schwartz
,
K. R.
Kittilstved
, and
D. R.
Gamelin
,
Mater. Today
9
,
28
(
2006
).
5.
T.
Dietl
,
H.
Ohno
,
F.
Matsukura
,
J.
Cibert
, and
D.
Ferrand
,
Science
287
,
1019
(
2000
).
6.
K.
Sato
and
H.
Katayama-Yoshida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
40
,
L334
(
2001
).
7.
A.
Walsh
,
J. L. F.
Da Silva
, and
S. -H.
Wei
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
256401
(
2008
).
8.
K.
Ueda
,
H.
Tabata
, and
T.
Kawai
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
988
(
2001
).
9.
W.
Prellier
,
A.
Fouchet
,
B.
Mercey
,
Ch.
Simon
, and
B.
Raveau
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
3490
(
2003
).
10.
J. H.
Kim
,
H.
Kim
,
D.
Kim
,
Y. E.
Ihm
, and
W. K.
Choo
,
J. Appl. Phys.
92
,
6066
(
2002
).
11.
D. P.
Norton
,
M. E.
Overberg
,
S. J.
Pearton
,
K.
Pruessner
,
J. D.
Budai
,
L. A.
Boatner
,
M. F.
Chisholm
,
J. S.
Lee
,
Z. G.
Khim
,
Y. D.
Park
, and
R. G.
Wilson
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
5488
(
2003
).
12.
G.
Lawes
,
A. S.
Risbud
,
A. P.
Ramirez
, and
R.
Seshadri
,
Phys. Rev. B
71
,
045201
(
2005
).
13.
A.
Ney
,
K.
Ollefs
,
S.
Ye
,
T.
Kammermeier
,
V.
Ney
,
T. C.
Kaspar
,
S. A.
Chambers
,
F.
Wilhelm
, and
A.
Rogalev
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
157201
(
2008
).
14.
N. A.
Spaldin
,
Phys. Rev. B
69
,
125201
(
2004
).
15.
Y. B.
Zhang
and
S.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
042511
(
2008
).
16.
H.
Matsui
,
H.
Saeki
,
T.
Kawai
,
H.
Tabata
, and
B.
Mizobuchi
,
J. Appl. Phys.
95
,
5882
(
2004
).
17.
J. G.
Ma
,
Y. C.
Liu
,
R.
Mu
,
J. Y.
Zhang
,
Y. M.
Lu
,
D. Z.
Shen
, and
X. W.
Fan
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
94
(
2004
).
18.
Q.
Wang
,
Q.
Sun
,
P.
Jena
, and
Y.
Kawazoe
,
Phys. Rev. B
70
,
052408
(
2004
).
19.
S. U.
Yuldashev
,
K. T.
Igamberdiev
,
T. W.
Kang
,
V. O.
Pelenovich
, and
A. G.
Shashkov
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
092503
(
2008
).
20.
M. H. N.
Assadi
,
Y. B.
Zhang
, and
S.
Li
,
J. Appl. Phys.
105
,
043906
(
2009
).
21.
K. R.
Kittilstved
,
N. S.
Norberg
, and
D. R.
Gamelin
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
147209
(
2005
).
22.
S. J.
Clark
,
M. D.
Segall
,
C. J.
Pickard
,
P. J.
Hasnip
,
M. I. J.
Probert
,
K.
Refson
, and
M. C.
Payne
,
Z. Kristallogr.
220
,
567
(
2005
).
23.
J. P.
Perdew
,
J. A.
Chevary
,
S. H.
Vosko
,
K. A.
Jackson
,
M. R.
Pederson
,
D. J.
Singh
, and
C.
Fiolhais
,
Phys. Rev. B
46
,
6671
(
1992
).
24.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
25.
G. P.
Francis
and
M. C.
Payne
,
J. Phys.: Condens. Matter
2
,
4395
(
1990
).
26.
S. -W.
Lim
,
D. -K.
Hwang
, and
J. -M.
Myoung
,
Solid State Commun.
125
,
231
(
2003
).
27.
Y. B.
Zhang
,
M. H. N.
Assadi
, and
S.
Li
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
175802
(
2009
).
28.
J. H.
Park
,
M. G.
Kim
,
H. M.
Jang
,
S.
Ryu
, and
Y. M.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
1338
(
2004
).
29.
L.
Bellaiche
and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
61
,
7877
(
2000
).
30.
E. -C.
Lee
and
K. J.
Chang
,
Phys. Rev. B
69
,
085205
(
2004
).
31.
M.
Joseph
,
H.
Tabata
, and
T.
Kawai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
38
,
L1205
(
1999
).
32.
Y.
Yan
,
S. B.
Zhang
, and
S. T.
Pantelides
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5723
(
2001
).
33.
X.
Li
,
Y.
Yan
,
T. A.
Gessert
,
C. L.
Perkins
,
D.
Young
,
C.
DeHart
,
M.
Young
, and
T. J.
Coutts
,
J. Vac. Sci. Technol. A
21
,
1342
(
2003
).
You do not currently have access to this content.