بخشی از مقاله
چكیده
محاسبات بر پایه اصول اولیه با روش FPLAPW+lo و بر اساس نظریه تابعی چگالی به منظور مطالعه ترکیب NaSe در حالت کپه ای ، سطوح آزاد Na - 001 - و Se - 001 - و مرز مشترک NaSe/CdTe - 001 - انجام شدند. نتایج نشان داد که NaSe در ساختار زینک بلند یک فرومغناطیس نیم فلز با گشتاور مغناطیسی کل 1/00µB است. سطوح ختم به Na - 001 - و Se - 001 - و مرز مشترک NaSe/CdTe - 001 - از خود خاصیت نیمه فلزی نشان دادند به طوری که نیم رسانای CdTe یک بستر مناسب برای رشد NaSe در اسپینترونیک محسوب می گردد.
مقدمه
از حدود 10 سال پیش توجه بسیاری از گروه های تحقیقاتی به فرومغناطیس های نیم فلزی جذب شد. این مواد دارای خواص فلزی در یک کانال اسپسنی و خاصیت نیم رسانایی در کانال اسپینی دیگر هستند و از جمله مواد مطلوب برای ساخت وسایل اسپینترونیک می باشند. دی گروت و همکارانش برای اولین بار در سال 1983 خاصیت نیمه فلزی را در ترکیبات هویسلر پیشگویی کردند .[1] همچنین ساختار بلند روی MnAs تحت عنوان یک فرو مغناطیس با خاصیت نزدیک به نیمه فلزی پیشگویی شده است CrAs .[2] نیز جزء مواد فرومغناطیس نیمه فلز به شمار می آید .
[3] اخیرا فازهای بلند روی [4] CrAs و [5] MnAs به شکل های الیه نازک، چند الیه ای و نانوساختار بر روی نیم رساناهای III-V رشد داده شده اند. سپس در ادامه بنگ-جو در قالب دو کار محاسباتی 7]و[6 جداگانه بر پایه نظریه تابعی چگالی ، به بررسی خاصیت نیمه فلزی در ساختار بلندروی دو ترکیب CrSb و CrTe پرداخته است. همچنین او در سال 2003 خاصیت نیمه فلزی ترکیب MnBi در حالت کپه ای بررسی کرده است .
[8] ما از بین نیمه فلزات NaSe را انتخاب نمودیم که قبال خاصیت نیم فلزی آن در ساختار بلند روی تحقیق شده است.[9] این مطالعه ابتدا به بررسی خواص فیزیکی ترکیب NaSe در حالت کپه ای می پردازیم. به دلیل نزدیکی پارامتر شبکه NaSe با نیم رسانای CdTe سطوح ترکیب NaSe در پارامتر شبکه CdTe مطالعه شده است. در ادامه به بررسی خواص الکترونی ، مغناطیسی و ساختاری سطوح - 001 - نانوساختارهای Na - 001 - و Se - 001 - و فصل مشترک NaSe - 001 - /CdTe - 001 - پرداخته ایم.
روش محاسبات
محاسبات بر پایه نظریه تابعی چگالی و با لستفاده از روش امواج تخت بهبود یافته خطی با پتانسیل کامل انجام شده است. کلیه محاسبات با نرم افزار Wien2k انجام شده است. تنها تقریب به کار رفته در محاسبات، بخش انرژی همبستگی-تبادلی است که از تقریب GGA استفاده شده است. مقدار پارامتر RMT Kmax برابر 8 در نظر گرفته شده است. RMT شعاع کره موفین-تین برای همه اتم ها برابر 2a.u در نظر گرفته شده است. مش بندی در منطقه اول بریلوئن برای محاسبات سطح و مرز مشترک به صورت 1×8×8 در نظر گرفته شده است.
بحث و نتیجه گیری خواص ساختاری
برای استخراج خواص ساختاری ترکیب NaSe ابتدا به بررسی این خواص در فاز ZB پرداخته ایم. در ادامه پارامتر ثابت شبکه بهینه - - a ، مقدار مدول حجمی - - B که معیاری از سختی بلور است، مشتق مدول حجمی - ' - B و مقدار انرژی بستگی - - Ec که معیاری از پایداری سیستم است در جدول 1 آورده شده است. عالمت منفی در انرژی بستگی نشانه ای از تمایل بیشتر اتم های بلور برای ایجاد پیوند اتمی نسبت به جدایی اتم ها است.
خواص الكترونی
نمودار ساختار نواری در واقع نمودار ویژه مقادیر انرژی کوهن-شم بر حسب بردار موج در منطقه اول بریلوئن است که می تواند اطالعاتی در مورد ماهیت بلور از لحاظ فلز یا غیر فلز بودن و اندازه گاف انرژی بدهد. به همین منظور در شکل 2 نمودار ساختار نواری فاز بلندروی ترکیب NaSe آورده شده است.
حالت اکثریتی حالت اقلیتی
شکل:2نمودار ساختار نواری ترکیب NaSe در دوحالت اکثریتی و اقلیتی همانطور که مشاهده می شود ترکیب NaSe در یک کانال اسپینی - حالت اقلیتی - سطح فرمی نوارهای انرژی را قطع کرده است و در کانال اسپینی دیگر - حالت اکثریتی - سطح فرمی درون یک گاف واقع شده است. بناراین خاصیت نیم فلزی این ترکیب تایید می شود.
خواص مغناطیسی
در این بخش گشتاورهای مغناطیسی کلی و جزئی برای ترکیب NaSe محاسبه می شود. آنچه مسلم است آن است که گشتاور مغناطیسی ترکیبات نیم فلز، معموال یک عدد صحیح می باشد زیرا همانطور که گفته شد در ترکیبات نیم فلز در یک کانال اسپینی ،گاف نواری وجود دارد و تعداد الکترون ها در آن کانال عددی صحیح می باشد چون تعداد کل الکترون ها نیز عددی صحیح است، بنابراین گشتاور مغناطیسی کل ترکیب نیز عددی صحیح می باشد. بر طبق جدول 2 ، مشاهده می شود که گشتاور مغناطیسی کل ترکیب NaSe عدد صحیح 1/00ʽB می باشد که حاکی از آن است که ترکیب مورد نظر نیم فلز است و از قانون از قانون اسلیتر-پاولینگ [Mtot= - Ztot-8 - ʽB] پیروی می کند که Ztot تعداد کل الکترون های ظرفیتی است. همچنین مطابق جدول 2 سهم عمده گشتاور مغناطیسی به اتم Na و ناحیه بین جایگاهی تعلق دارد.
خواص ساختاری سطوح NaSe - 001 -
هنگامی که بلورها را در راستای خاصی برش می دهیم تا سطوح آزاد به وجود آیند ، اتم های سطحی به دلیل از دست دادن نیمی از همسایه هایشان از مکان تعادلی شان خارج می شوند و به آنها نیرو وارد می گردد. برای یافتن مکان های جدید تعادلی اتم ها باید عمل واهلش بر روی اتم ها صورت گیرد. طی واهلش آن قدر اتم ها در راستای عمود بر سطح جابه جا می شوند تا نبروهای وارد بر اتم ها به حداقل مقدار خودش برسد.
پس از عمل واهلش، فواصل بین الیه ای را برای سطوح Na - 001 - و Se - 001 - محاسبه کرده ایم و در جدول 3 معرفی کرده ایم و با مقدار آن در حالت کپه ای مقایسه کرده ایم.نکته مهم کاهش بیشتر فاصله بین الیه ای سطوح ختم به Na - 001 - نسبت به سطوح Se - 001 - می باشد که این امر حکایت از قوی تر بودن پیوند بین اتم های سطحی و زیر سطحی در این سطح دارد. با نگاهی کلی به فواصل بین الیه ای در هر دو سطح دیده می شود با حرکت به سمت داخل ابر یاخته رفته رفته فواصل بین الیه ای کاهش یافته و به مقدار کپه ایشان نزدیک می شوند.
خواص الكترونی سطوح Na - 001 - و Se - 001 -
در این اینجا به محاسبه ساختار نواری سطوح ختم به Na - 001 - و Se - 001 - پرداخته ایم.در شکل 3 و 4 ساختار نواری را برای حالت های اسپینی اقلیتی و اکثریتی هر دو سطح آورده شده است. همان طور که دیده می شود هر دو سطح خاصیت نیمه فلزی خود را حفظ می کنند. نیم فلز بودن این سطوح نقطه قوتی است زیرا می توان این سطوح را روی نیم رسانای CdTe رشد داد.
