We report persistent photoconductivity in Mg-doped GdN thin films grown by molecular beam epitaxy. Temperature-dependent measurements were carried out in the time and frequency domains to probe the nature of Mg impurities in GdN. The results reveal an initial fast decay followed by a slow persistent photoconductivity. The magnitude of the photoconductivity as well as the characteristic fast- and slow-decay times was found to decrease systematically with increasing the Mg-doping level. Our experimental results suggest that Mg impurities in epitaxial GdN thin films act as acceptor-like centres. Interestingly they also show that the incorporation of Mg result in a significant decrease in the concentration of nitrogen vacancies, as is demonstrated also to be in agreement with an ab initio calculation.

1.
S. A.
Wolf
,
D. D.
Awschalom
,
R. A.
Buhrman
,
J. M.
Daughton
,
S.
von Molnár
,
M. L.
Roukes
,
A. Y.
Chtchelkanova
, and
D. M.
Treger
,
Science
294
,
1488
(
2001
).
2.
I.
Žutić
,
J.
Fabian
, and
S.
Das Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
323
(
2004
).
3.
D. D.
Awschalom
and
M. E.
Flatté
,
Nat. Phys.
3
,
153
(
2007
).
4.
T.
Dietl
,
H.
Ohno
,
F.
Matsukara
,
J.
Cibert
, and
D.
Ferrand
,
Science
287
,
1019
(
2000
).
5.
J.
Fabian
,
A.
Matos-Abiaguea
,
C.
Ertlera
,
P.
Stano
, and
I.
Žutić
,
Acta Phys. Slovaca
57
,
565
(
2007
).
6.
S.
von Molnár
and
D.
Reed
,
Proc. IEEE
91
,
715
(
2003
).
7.
F.
Natali
,
B.
Ruck
,
N.
Plank
,
H.
Trodahl
,
S.
Granville
,
C.
Meyer
, and
W.
Lambrecht
,
Prog. Mater. Sci.
58
,
1316
(
2013
).
8.
P. K.
Muduli
,
A.
Pal
, and
M. G.
Blamire
,
Phys. Rev. B
89
,
094414
(
2014
).
9.
S.
Krishnamoorthy
,
T. F.
Kent
,
J.
Yang
,
P. S.
Park
,
R. C.
Myers
, and
S.
Rajan
,
Nano Lett.
13
,
2570
(
2013
).
10.
H.
Warring
,
H. J.
Trodahl
,
N. O. V.
Plank
,
F.
Natali
,
S.
Granville
, and
B. J.
Ruck
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
044002
(
2016
).
11.
H.
Warring
,
B. J.
Ruck
,
H. J.
Trodahl
, and
F.
Natali
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
132409
(
2013
).
12.
F.
Leuenberger
,
A.
Parge
,
W.
Felsch
,
K.
Fauth
, and
M.
Hessler
,
Phys. Rev. B
72
,
014427
(
2005
).
13.
G.
Busch
,
J. Appl. Phys.
38
,
1386
(
1967
).
14.
R. A.
Cutler
and
A. W.
Lawson
,
J. Appl. Phys.
46
,
2739
(
1975
).
15.
K.
Khazen
,
H. J.
von Bardeleben
,
J. L.
Cantin
,
A.
Bittar
,
S.
Granville
,
H. J.
Trodahl
, and
B. J.
Ruck
,
Phys. Rev. B
74
,
245330
(
2006
).
16.
B. M.
Ludbrook
,
I. L.
Farrell
,
M.
Kuebel
,
B. J.
Ruck
,
A. R. H.
Preston
,
H. J.
Trodahl
,
L.
Ranno
,
R. J.
Reeves
, and
S. M.
Durbin
,
J. Appl. Phys.
106
,
063910
(
2009
).
17.
C.-M.
Lee
,
H.
Warring
,
S.
Vézian
,
B.
Damilano
,
S.
Granville
,
M.
Al Khalfioui
,
Y.
Cordier
,
H. J.
Trodahl
,
B. J.
Ruck
, and
F.
Natali
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
022401
(
2015
).
18.
A.
Punya
,
T.
Cheiwchanchamnangij
,
A.
Thiess
, and
W. R. L.
Lambrecht
,
Symposium I Magnetism and Correlated Electronic Structure of Nitrides Rare-Earth and Transition Metals as Constituents and Dopants
(
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
,
2011
), Vol.
1290
, p.
4
.
19.
S.
Granville
,
B. J.
Ruck
,
F.
Budde
,
A.
Koo
,
D. J.
Pringle
,
F.
Kuchler
,
A. R. H.
Preston
,
D. H.
Housden
,
N.
Lund
,
A.
Bittar
,
G. V. M.
Williams
, and
H. J.
Trodahl
,
Phys. Rev. B
73
,
235335
(
2006
).
20.
F.
Natali
,
N.
Plank
,
J.
Galipaud
,
B.
Ruck
,
H.
Trodahl
,
F.
Semond
,
S.
Sorieul
, and
L.
Hirsch
,
J. Cryst. Growth
312
,
3583
(
2010
).
21.
M.
Scarpulla
,
C.
Gallinat
,
S.
Mack
,
J.
Speck
, and
A.
Gossard
,
J. Cryst. Growth
311
,
1239
(
2009
).
22.
R.
Vidyasagar
,
T.
Kita
,
T.
Sakurai
, and
H.
Ohta
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
222408
(
2013
).
23.
N. O. V.
Plank
,
F.
Natali
,
J.
Galipaud
,
J. H.
Richter
,
M.
Simpson
,
H. J.
Trodahl
, and
B. J.
Ruck
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
112503
(
2011
).
24.
F.
Natali
,
S.
Vézian
,
S.
Granville
,
B.
Damilano
,
H.
Trodahl
,
E.-M.
Anton
,
H.
Warring
,
F.
Semond
,
Y.
Cordier
,
S.
Chong
, and
B.
Ruck
,
J. Cryst. Growth
404
,
146
(
2014
).
25.
S.
Vézian
,
B.
Damilano
,
F.
Natali
,
M. A.
Khalfioui
, and
J.
Massies
,
J. Cryst. Growth
450
,
22
(
2016
).
26.
H. J.
Trodahl
,
A. R. H.
Preston
,
J.
Zhong
,
B. J.
Ruck
,
N. M.
Strickland
,
C.
Mitra
, and
W. R. L.
Lambrecht
,
Phys. Rev. B
76
,
085211
(
2007
).
27.
P.
Larson
,
W. R. L.
Lambrecht
,
A.
Chantis
, and
M.
van Schilfgaarde
,
Phys. Rev. B
75
,
045114
(
2007
).
28.
J. Z.
Li
,
J. Y.
Lin
,
H. X.
Jiang
,
A.
Salvador
,
A.
Botchkarev
, and
H.
Morkoc
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
1474
(
1996
).
29.
G.
Beadie
,
W. S.
Rabinovich
,
A. E.
Wickenden
,
D. D.
Koleske
,
S. C.
Binari
, and
J. A.
Freitas
, Jr.
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
1092
(
1997
).
30.
C. H.
Qiu
and
J. I.
Pankove
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
1983
(
1997
).
31.
S.
Cai
,
G.
Parish
,
J. M.
Dell
, and
B. D.
Nener
,
J. Appl. Phys.
96
,
1019
(
2004
).
32.
P.
Sharma
,
K.
Sreenivas
, and
K. V.
Rao
,
J. Appl. Phys.
93
,
3963
(
2003
).
33.
K.
Saarinen
,
J.
Nissil
,
P.
Hautojrvi
,
J.
Likonen
,
T.
Suski
,
I.
Grzegory
,
B.
Lucznik
, and
S.
Porowski
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2441
(
1999
).
34.
J.
Oila
,
V.
Ranki
,
J.
Kivioja
,
K.
Saarinen
,
P.
Hautojärvi
,
J.
Likonen
,
J. M.
Baranowski
,
K.
Pakula
,
T.
Suski
,
M.
Leszczynski
, and
I.
Grzegory
,
Phys. Rev. B
63
,
045205
(
2001
).
35.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
36.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
37.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
38.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
).
39.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
J. Phys.: Condens. Matter
6
,
8245
(
1994
).
40.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
41.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
42.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
43.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
44.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
You do not currently have access to this content.