Ab initio моделирование термодинамических и электронных свойств

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Ab initio моделирование термодинамических и электронных свойств соединений Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy) Вильф Я. З. Лысогорский Ю. В.

Актуальность Фрустрированные магнетики — это вещества, в которых при низких температурах спины не могут упорядоченно выстроиться из-за геометрических причин В соединениях типа Sr. R 2 O 4 геометрическая фрустрация наблюдается вдоль оси c [1] Petrenko O. A. Low-temperature magnetism in the honeycomb systems Sr. Ln 2 O 4 //Low Temperature Physics. – 2014. – Vol. 40. – no. 2. – P. 139 -147. 2

Магнитный вклад в теплоемкость Sr. Gd 2 O 4 [2] Sr. Gd 2 O 4 – магнитный Sr. Y 2 O 4 – немагнитный Sr. Lu 2 O 4 – немагнитный C = Cмагн + Cреш + Cэлек ≈ 0 Cмагн = 0 (для Sr. Y 2 O 4 и Sr. Lu 2 O 4) Рис. 1. Зависимость теплоемкости от температуры для Sr. Y 2 O 4, Sr. Lu 2 O 4 и Sr. Gd 2 O 4 [2] Young O. et al. Magnetic properties of geometrically frustrated Sr. Gd 2 O 4 //Physical Review B. – 2014. – Vol. 90. – no. 9. – P. 094421. 3

Цель: Вычислить магнитный вклад в теплоемкость для соединений Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy). Задачи: • Моделирование кристаллической структуры соединений Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy); • Сравнение полученных результатов с известными экспериментальными данными; • Подбор оптимальных параметров расчета для нахождения термодинамических и электронных свойств нашего класса соединений; • Расчет фононных вкладов в теплоемкость для соединений Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy). 4

Параметры расчета для Sr. R 2 O 4 Функционалы LDA, GGA-AM 05, GGA-PBEsol, GGA-PBE, GGA-r. PBE, GGA-BLYP Энергия cutoff 400 э. В k-ячейка 3× 3× 5 Сходимость 0. 02 э. В/Å Магнетизм Spin-polarized [3] [4] [3] Mede. A® and Materials Design®. 2013 г. www. materialsdesign. com. [4] Kresse, G. "Software VASP, Vienna, 1999; G. Kresse, J. Furthmüller. " Phys. Rev. B 54. 11 (1996). 5

Экспериментальные данные a, Å b, Å c, Å Sr. Y 2 O 4 10, 08 3, 41 11, 92 Sr. Nd 2 O 4[5] 10, 15 3, 57 12, 20 Sr. Sm 2 O 4 10, 13 3, 52 12, 11 Sr. Gd 2 O 4[5] 10, 14 3, 47 12, 06 Sr. Dy 2 O 4 10, 08 3, 43 11, 95 Таблица 1. Экспериментально полученные параметры решеток [5] Lopato L. M. Highly refractory oxide systems containing oxides of rare-earth elements //Ceramurgia International. – 1976. – Vol. 2. – no. 1. – P. 18 -32. 6

Результаты расчета Средняя ошибка параметров решетки относительно эксперимента, % LDA GGAAM 05 GGAPBEsol GGAPBE GGAr. PBE GGABLYP Sr. Y 2 O 4 2, 83 - 1, 80 0, 31 0, 56 0, 48 Sr. Nd 2 O 4 - 1, 46 1, 72 0, 23 0, 96 0, 93 Sr. Sm 2 O 4 - 1, 73 2, 04 0, 34 0, 87 Sr. Gd 2 O 4 - 1, 94 2, 29 0, 71 0, 35 0, 33 Sr. Dy 2 O 4 - 1, 84 2, 10 0, 63 0, 38 - Таблица 2. Сравнение разных функционалов по отклонению от экспериментальных данных 7

Sr. Y 2 O 4 Рис. 2. Зависимость теплоемкости от температуры для Sr. Y 2 O 4 8

Sr. Dy 2 O 4 Рис. 3. Зависимость теплоемкости от температуры для Sr. Dy 2 O 4 9

Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy) Рис. 4. Сравнение фононных вкладов в теплоемкость различных соединений, рассчитанных функционалом GGA-PBEsol 10

Расчет ширины запрещенной зоны Расчет кристаллической структуры (LDA-, GGAфункционалы) Расчет зонной структуры (Meta-GGA функционал типа MBJLDA [5]) Эксперимент: 5, 75 э. В Расчет: 5, 46 э. В Рис. 5. Зонная структура Sr. Y 2 O 4, рассчитанная функционалом Meta-GGA типа MBJLDA [5] Tran F. , Blaha P. Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchangecorrelation potential //Physical Review Letters. – 2009. – Vol. 102. – no. 22. – P. 226401. 11

Ширины запрещенных зон соединений Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy) Ширина запрещенной зоны, э. В PBE BLYP r. PBE AM 05 PBEsol Эксперимент Sr. Y 2 O 4 5, 25 5, 12 ― ― 5, 46 5, 75 Sr. Nd 2 O 4 ― ― 4, 62 ― 4, 59 ― Sr. Sm 2 O 4 4, 87 ― 4, 89 ― 4, 85 ― Sr. Gd 2 O 4 5, 11 ― ― 5, 12 5, 00 ― Sr. Dy 2 O 4 5, 29 ― 5, 21 5, 29 5, 27 ― 12

Результаты q Были рассчитаны фононные вклады в теплоемкость для Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy); – Выделена магнитная составляющая теплоемкости Sr. Dy 2 O 4; q Рассчитаны ширины запрещенных зон при помощи функционала meta-GGA типа MBJLDA для Sr. R 2 O 4 (R = Y, Nd, Sm, Gd, Dy); – Полученная ширина запрещенной зоны для Sr. Y 2 O 4 дает хорошее согласие с экспериментом. Замечания q Для нахождения параметров решетки лучше всего использовать структуры, оптимизированные функционалом GGA-PBE; q Для расчета колебательных свойств лучше всего использовать структуры, оптимизированные функционалом GGA-PBEsol; q Для расчета электронных свойств лучше всего использовать структуры, оптимизированные функционалом GGA-PBEsol. 13

Благодарности Выражаем благодарность всем членам лаборатории компьютерного дизайна новых материалов Института физики Казанского (Приволжского) федерального университета за рекомендации и помощь в обсуждении результатов. Также благодарим Киямова А. Г. за предоставленные дифрактограммы и рассчитанные по ним параметры решеток для соединений Sr. Y 2 O 4, Sr. Sm 2 O 4 и Sr. Dy 2 O 4, Гильмутдинова И. Ф. за экспериментально измеренные зависимости теплоемкости от температуры для Sr. Y 2 O 4 и Sr. Dy 2 O 4 и Мумджи И. за предоставленные экспериментальные данные по ширине запрещенной зоны для Sr. Y 2 O 4. 14

Спасибо за внимание! 15

Рис. 6. Экспериментально измеренные зависимости теплоемкости от температуры Sr. Y 2 O 4 и Sr. Dy 2 O 4 16

$Список литературы 1. Lopato L. M. Highly refractory oxide systems containing oxides of rare-earth$

Список литературы 1. Lopato L. M. Highly refractory oxide systems containing oxides of rare-earth elements //Ceramurgia International. – 1976. – Vol. 2. – no. 1. – P. 18 -32. 2. Mede. A® and Materials Design®. 2013. www. materialsdesign. com. 3. Kresse, G. "Software VASP, Vienna, 1999; G. Kresse, J. Furthmüller. " Phys. Rev. B 54. 11 (1996). 4. M. Taibi et al. Journal of Physics: Condensed Matter, 1993, 5201. 5. O. Young. Magnetic properties of two geometrically frustrated compounds: Sr. Ho 2 O 4 and Sr. Gd 2 O 4. Ph. D thesis, University of Warwick, October 2013. 6. M. Petersen, J. Hafner, M. Marsman. Journal of Physics: Condensed Matter, 2006, 18, 7021. 17

Функционал GGA-PBE Sr. Y 2 O 4 Sr. Nd 2 O 4 Sr. Sm 2 O 4 Sr. Gd 2 O 4 Sr. Dy 2 O 4 a, Å 10, 01 (10, 08) 10, 02 (10, 15) 10, 05 (10, 13) 10, 05 (10, 14) 10, 01 (10, 08) b, Å 3, 39 (3, 41) 3, 58 (3, 57) 3, 51 (3, 52) 3, 45 (3, 47) 3, 40 (3, 43) c, Å 11, 87 (11, 92) 12, 21 (12, 20) 12, 10 (12, 11) 11, 98 (12, 06) 11, 88 (11, 95) Таб. 3. Полученные параметры решеток после расчета функционалом GGA-PBE, где в скобках указаны экспериментальные данные 18

Апробация работы Результаты данной работы были представлены на следующих конференциях: § Всероссийская школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» , 11 -12 декабря 2014 года; § Итоговая научно-образовательная конференция студентов Казанского федерального университета 2015 года. 19

Скачать презентацию Ab initio моделирование термодинамических и электронных свойств

5c5b933ab308012b2d0d4662ed0dbbe4.ppt

Количество слайдов: 19