CC BY
59
Dmitriev Andrey Nikolaevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
17, Nekrasovsky Street, Rm 101, Taganrog, 347900, Russia.
Phone: +79613138686
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
CherednichenkoDmitriy Ivanovich
E-mail: [email protected].
71, 1-ya Kotelnaya Street, Rm. 339, Taganrog, 347900, Russia.
Phone: 88634371940.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Cand. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Muzykov Peter Genadievich
University of South Carolina.
E-mail: [email protected]
301 South Main Street, Rm. 3A80, Columbia, SC 29208, USA.
Phone: 18037777025; Fax: 18037778045.
The Department of Electrical Engineering; Research Assistant Professor.
Tangali Sudarshan
E-mail: [email protected].
301 South Main Street, Rm. 3A79, Columbia, SC 29208, USA.
Phone: 18037775174; Fax: 18037778851.
The Department of Electrical Engineering; Chair the Department; Professor.
УДК 621.315
А А. Лаврентьев, Б.В. Г абрельян, П.Н. Шкумат, Б.Б. Кулагин,
И.Я. Никифоров
ВЛИЯНИЕ АНТИФЕРРОМАГНИТНОГО УПОРЯДОЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ МОНОСУЛЬФИДОВ ЗО-ПЕРЕХОДНЫХ ME ТАЛЛОВ В AB INITIO РАСЧЕТАХ С УЧЕТОМ ПРИБЛИЖЕНИЯ LDA+U
Модифицированным методом LAPW+lo проведены расчеты электронноэнергетической структуры моносульфидов 3d-мemaллoв с учетом антиферромагнитного упорядочения в различных кристаллографических слоях. Показано, что расщепление d-
приводит к переходу части моносульфидов из металлического в полупроводниковое со. Eg
LDA+U.
Моносульфиды; переход металл-диэлектрик; электронно-энергетическая структура;
; .
A.A. Lavrent’ev, B.V. Gabrel’yan, P.N. Shkumat, B.B. Kulagin, I.Ya. Nikiforov
THE INFLUENCE OF ANTIFERROMAGNETIC ORDERING ON ELECTRONIC STRUCTURE OF ЗО-TRANSITION METALS MONOSULFIDES IN AB INITIO CALCULATIONS WITH LDA+U
CORRECTION
The calculations of electronic structure of 3d-metal monosulfides with different crystallo-graphic layers antiferromagnetic ordering were performed using LAPW+lo modified method. It was shown that the transition metal-semiconductor occurs in several monosulfides, caused by
Раздел II. Наноматериалы
the metal d-states splitting under antiferromagnetic ordering. To achieve the value of Eg close to the experimental one the LDA+ U correction was applied.
Monosulfides; metal-insulator transition; electronic structure; antiferromagnetic ordering, energy gap.
Моносульфиды 3d-MeTarmoB проявляют многообразие физических свойств, и наибольший интерес представляют их магнитные превращения и переход металл-диэлектрик (ПМД) [1], делающие их перспективными для спинтроники. Первостепенную роль в этих переходах играют 3d^eKTpoHbi и степень заполнения 3d- , .
В настоящей работе модифицированным методом LAPW+lo, реализованным в программе Wien2k [2], рассчитана электронно-энергетическая структура во всем ряду моносульфидов 3d-MeTarmoB от ScS до NiS, включая и расчеты в соединениях CuS и ZnS с заполненными 3d^^^^TO4KaMH. Расчеты проведены для высокосимметричных кристаллографических фаз исследуемых соединений: соединения ScS и MnS взяты для расчета в кубической структуре типа NaCl (пространственная группа Fm-3m), соединения TiS, VS, CrS, FeS, CoS, NiS в гексагональной структуре типа NiAs (пространственная группа P63/mmc), a ZnS имело кубическую структуру сфалерита (F-43m). И только соединение CuS рассчитано для своей сравнительно низкосимметричной гексагональной структуры, обладающей пространственной группой P63/mmc, совпадающей с пространственной группой структуры типа NiAs. Основное внимание в работе уделено влиянию антиферромагнитного упорядочения в различных кристаллографических плоскостях: (001) для структуры типа NiAs и (111) для структуры типа NaCl, приведенных на рис. 1. Показано, что в отсутствие антиферромагнитного упорядочения соединение MnS является проводящим материалом, что видно по положению уровня Ферми EF на полной плотности состояний (DOS), приведенной в нижней части рис. 2,а. Антиферромаг-нитное упорядочение в слоях (001) не приводит к появлению запрещенной щели в MnS ( . 2, ), -
ние в слоях (111) вызывает появление запрещенной щели Eg шириной около 1 эВ (рис. 2,а. Согласно экспериментальным данным [1], а-MnS является полупроводниковым антиферромагнетиком с Eg = 2.6^2.8 эВ. Чтобы получить близкую к эксперименту запрещенную щель, было использовано приближение LDA+U [3], что позволило при U = 6 эВ достигнуть Eg = 2.8 эВ. Этот результат хорошо виден на DOS . 2, .
б
Рис. 1. Стрелками обозначены магнитные моменты в структуре типа (а) ИаС1 и
(б) МЛз
>
о,
~сй
ф
СО
(Л
со
О
О
епегду, еУ
а
в)
10
епегду, еУ
б
Рис. 2. Рассчитанные плотности электронных состояний (Ер - энергия Ферми)
Для сравнения на рис. 2,6 приведены результаты расчетов БОБ всех исследованных моносульфидов, а именно, парциальные плотности 3^-состояний переходных металлов (пунктирные и тонкие линии) и р-состояний серы И 5-состояний серы (толстые сплошные линии). В качестве примера на рис. 2,в показаны плотности ^-состояний в БеБ для двух атомов железа из соседних плоскостей (001) с различным направлением результирующего магнитного момента, приводящим в целом к антиферромагнитному состоянию кристалла. Результирующие магнитные моменты на атомах 3^-переходных металлов даны в таблице вместе с полученными зна-
в
чениями ширин запрещенных зон Eg, muffin-tin радиусами сфер (RMT), общим числом к -точек в зоне Бриллюэна (BZ) и числом к -точек в неприводимой части зоны Бриллюэна (IBZ), а также вычислительным параметром RMTkmax, определяющим величину базиса разложения по плоским волнам.
, d - -
го металла с разными направлениями вверх и вниз при учете антиферромагнитно-го упорядочения в слоях приводит к появлению запрещенной щели в плотности электронных состояний и переходу моносульфидов (VS, MnS, NiS, CoS) из металлического в полупроводниковое состояние.
1
Результаты расчетов магнитных моментов атомов 3^-металлов, Ее и некоторые параметры расчета в исследованных моносульфидах
. Магнитные моменты 3d-aTOMOB в параллельных плоскостях, Jb Eg RMT (Me) RMT(S) Число к -точек RMT k •^max
т i в BZ в IBZ клине
ScS 0,02661 -0,02661 2,5987 2,3051 3000 280 7
TiS 1,33261 -1,3208 2,4749 2,2613 3000 266 7
VS 0,93987 -0,93926 1,55 2,2466 2,2081 3000 293 7
CrS 3,50517 -3,51305 2,3069 2,2098 3000 261 7
MnS 4,68193 -4,68193 2,6 2,5669 2,3840 3000 280 7
FeS 3,51094 -3,53255 2,3506 2,2844 3000 293 7
CoS 2,43148 -2,4317 1,1 2,2023 2,2126 3000 261 7
NiS 1,43957 -1,43956 1,4 2,2471 2,2696 3000 261 7
CuS без afm 2,1325 1,9486 3000 183 7
ZnS без afm 3,45 2,0980 2,1400 3000 172 7
Дальнейшая корректировка величины появившейся щели, сделанная в при-LDA+U -
3d- ,
Eg.
БИБЛИОГРДФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. . ., . ., . . - -
фидах 3d-MCTMncrn. - Новосибирск: Наука, 1993. - 144 с.
2. Blaha P., Schwarz K., Madsen G.K.H., Kvasnicka D., Luitz J. WIEN2k, an augmented plane wave + local orbitals program for calculating crystal properties. -Karlheinz Schwarz, Austria, Techn. Universitat Wien, (2001) ISBN 3-9501031-1-2.
3. Anisimov V.I., Solovyev I.V., Korotin M.A., Czyzyk M.T., Sawatzky G.A. Phys. Rev. B 48, 16929 (1993).
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н., профессор М.Ф. Куприянов.
Лаврентьев Анатолий Александрович
Донской государственный технический университет.
E-mail: [email protected].
344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
Тел.: 88632712367; +79286014539.
Кафедра электротехники и электроники; заведующий кафедрой; д.ф.-м.н; профессор.
Габрельян Борис Витальевич
Ten.: 88632404321.
Кафедра программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем; к.ф.-м.н.; доцент.
Шкумат Петр Николаевич
Тел.: +79081992702.
Кафедра электротехники и электроники; ассистент.
Кулагин Борис Борисович
.: 88632533069; +79044425970.
Кафедра электротехники и электроники; ассистент.
Никифоров Игорь Яковлевич
E-mail: [email protected].
Ten.: 88632925813.
Кафедра физики; д.ф.-м.н.; профессор.
Lavrentyev Anatoly Aleksandrovich
Don State Technical University.
E-mail: [email protected].
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344010, Russia.
Phone: +78632712367; +79286014539.
The Department of Electrical Engineering and Electronics; Head of the Department; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
Gabrelyan Boris Vitalievich
Phone: +78632404321.
The Department of Computational Technique and Automated System Software; Cand. of Phis.-Math. Sc.; Associate Professor.
Shkumat Petr Nikolaevich
Phone: +79081992702.
The Department of Electrical Engineering and Electronics; Assistant.
Kulagin Boris Borisovich
Phone: 88632533069; +79044425970.
The Department of Electrical Engineering and Electronics; Assistant.
Nikiforov Igor Yakovlevich
E-mail: [email protected].
Phone: +78632925813.
The Department of Physics; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
