Научная статья на тему 'Влияние антиферромагнитного упорядочения на электронно-энергетическую структуру моносульфидов 3d-переходных металлов в ab initio расчетах с учетом приближения lda+u'

Влияние антиферромагнитного упорядочения на электронно-энергетическую структуру моносульфидов 3d-переходных металлов в ab initio расчетах с учетом приближения lda+u Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
166
60
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОНОСУЛЬФИДЫ / ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК / ЭЛЕКТРОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА / АНТИФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ / ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА / MONOSULFIDES / METAL-INSULATOR TRANSITION / ELECTRONIC STRUCTURE / ANTIFERROMAGNETIC ORDERING / ENERGY GAP

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Лаврентьев Анатолий Александрович, Габрельян Борис Витальевич, Шкумат Петр Николаевич, Кулагин Борис Борисович, Никифоров Игорь Яковлевич

Модифицированным методом LAPW+lo проведены расчеты электронноэнергетической структуры моносульфидов 3d-металлов с учетом антиферромагнитного упорядочения в различных кристаллографических слоях. Показано, что расщепление d-состояний переходного металла при учете антиферромагнитного упорядочения в слоях приводит к переходу части моносульфидов из металлического в полупроводниковое состояние. Для достижения близких к эксперименту значений Eg проводилась корректировка появившейся щели с помощью приближения LDA+U.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Лаврентьев Анатолий Александрович, Габрельян Борис Витальевич, Шкумат Петр Николаевич, Кулагин Борис Борисович, Никифоров Игорь Яковлевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INFLUENCE OF ANTIFERROMAGNETIC ORDERING ON ELECTRONIC STRUCTURE OF 3D-TRANSITION METALS MONOSULFIDES IN AB INITIO CALCULATIONS WITH LDA+U CORRECTION

The calculations of electronic structure of 3d-metal monosulfides with different crystallographic layers antiferromagnetic ordering were performed using LAPW+lo modified method. It was shown that the transition metal-semiconductor occurs in several monosulfides, caused by 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.

Текст научной работы на тему «Влияние антиферромагнитного упорядочения на электронно-энергетическую структуру моносульфидов 3d-переходных металлов в ab initio расчетах с учетом приближения lda+u»

Dmitriev Andrey Nikolaevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: a.dmitriev86@gmail.com.

17, Nekrasovsky Street, Rm 101, Taganrog, 347900, Russia.

Phone: +79613138686

The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.

CherednichenkoDmitriy Ivanovich

E-mail: cheredni@fep.tti.sfedu.ru.

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: muzykovp@engr.sc.edu

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: sudarsha@cec.sc.edu.

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

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: alavrentyev@dstu.edu.ru.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

.: 88632533069; +79044425970.

Кафедра электротехники и электроники; ассистент.

Никифоров Игорь Яковлевич

E-mail: iyanikiforov@mail.ru.

Ten.: 88632925813.

Кафедра физики; д.ф.-м.н.; профессор.

Lavrentyev Anatoly Aleksandrovich

Don State Technical University.

E-mail: alavrentyev@dstu.edu.ru.

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: iyanikiforov@mail.ru.

Phone: +78632925813.

The Department of Physics; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.