بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ویژگی های الکترونی ، ساختاری و فاز توپولویک ترکیب NpNi2 مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات با استفاده از کد WIEN2K و براساس نظریه تابعی چگالی و رهیافت GGA انجام شده است. ثابت شبکه ، مدول حجمی و مشتق مدول حجمی محاسبه شده توافق خوبی با مقادیر تجربی در دسترس دارند. با استفاده از نمودار ساختار نواری ، فاز توپولوژی و تاثیرات فشار بر فاز توپولوژی این ترکیب مطالعه شده است.
مقدمه
در بلورها وترکیباتی که حاوی اتم های سنگین مانند لانتاتیدها واکتنیدها می باشند اثرهای نسبیتی از اهمیت خاصی برخوردارند.ترکیب NpNi2 نیز یکی از این ترکیبات است لذا تمامی محاسباتاین مقاله در حضور برهمکنش اسپین مدار ، که یک اثر کوانتومی نسبیتی است و به صورت اختلال به هامیلتونی اضافه می شود انجام شده است. در سالهای اخیر مطالعات اثر کوانتومی هال منجر به شناسایی خواص کوانتومی جدیدی در برخی مواد شده است که در آن ها برهمکنش اسپین مدار نقش اساسی دارد. این مواد در حالت توده ای رسانا یا نارسانای معمولی اند ولی در روی سطح ، دارای حالت های رسانش کامل سطحی می باشند .[1]
وجود حالت های رسانش کامل در سطوح می توانند به خواص غیرعادی در هدایت الکترونی منجرشوند. به این مواد رسانا یا نارسانای توپولوژیک می گوییم .[2] یکیاز روش های شناسایی این گروه ازمواد، بررسی نظم نواری آن هاست ، لذا دراین مقاله علاوه بر بررسی خواص الکترونی به بررسی نظم نواری این ترکیب نیز خواهیم پرداخت.ترکیب NpNi2 دارای ساختار مکعبی با گروه فضایی Fd-3m است که در این ترکیب Np ها در موقعیت های - 0/875 , 0/375 , 0/375 - و - - 0/125 , 0/625 , 0/625 و Ni ها در موقعیت های - 0/5 , 0, 0 - ، - 0 , 0/75 , 0/25 - ، - 0/75 , 0/25 , 0/5 - و - 0/25 , 0/5 , 0/25 - قرار دارند.
محاسبات
محاسبات این مقاله در چارچوب نظریه تابعی چگالی [3] با استفادهاز کد محاسباتی [4] WIEN2K بر اساس روش امواج بهبود یافتهخطی - LAPW - رهیافت [5] GGA و در حضور برهمکنش اسپینمدارانجام گرفته است. در این محاسبات شعاع کره مافین تین برای اتم های Np و Ni به ترتیب 2/5 - a.u. - و 2/2 - a.u. - در نظر گرفته شده است. پارامترهای RMTKMAX وGMAX که در آن RMT کوچکترین شعاع کره مافین تین در بلور ، KMAX اندازه بیشینه بردارموج شبکه وارون و GMAX بردارموج قطع در بسط پتانسیل وچگالی بار است ، با استفاده از همگرایی انرژی به ترتیب 9 و 17/5 به دست آمده اند. همچنین انرژی جداسازی -7/5 ریدبرگ و تعداد نقاط بهینه در فضای وارون 3500 نقطه انتخاب شده است.
ویژگی های ساختاری
انرژی کل ترکیب NpNi2 برحسب حجم در دو فاز فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی ، درحضور و در غیاب برهمکنش اسپین مدار محاسبه شده است. نتایج حاصل از این محاسبه که با استفاده ازمعادله حالت بریچ مورناگان برازش داده شده است در شکل 1 آورده شده است.این نمودارها نشان می دهند که ترکیب NpNi2 خاصیت مغناطیسی ندارد و با توجه به کاهش قابل ملاحظه ی انرژی این ترکیب درحضور برهمکنش اسپین مدار ، این برهمکنش قابل چشم پوشی نیست. همچنین مقدار گشتاور مغناطیسی کل و گشتاور مغناطیسی تک تک اتم ها را صفر به دست آوردیم که این امرنیز تاییدی بر غیرمغناطیسی بودن این ترکیب است. با استفاده از کمینه نمودارها ، ثابتهای شبکه تعادلی ، مدول حجمی و مشتق آن در رهیافت GGA محاسبه و نتایج آن در جدول 1 باثابت شبکه تجربی ]6[ مقایسه شده است.
ویژگی های الکترونی
نمودار چگالی حالت های الکترونی ترکیب NpNi2 در حالت انبوهه با استفاده ازرهیافت GGA محاسبه شده است. نتایج حاصل در نمودار شکل 2 آورده شده است. این نمودار چگونگی اشغال حالت های الکترونی را در بازه -25 تا 5 الکترون ولت نشان می دهد ،که بیانگر رسانندگی خوب این ترکیب در رهیافت GGA می باشد. در شکل 2 ستیغ موجود در انرژی فرمی و انرژی 1/48ev روی سطح فرمی مربوط به اوربیتال f اتم Np است. همچنین ستیغ موجود در انرژی -1/3ev و -2/85ev زیر سطح فرمی مربوط به اوربیتال d اتم Ni است.برای بررسی بیشتر خواص ترابردی با استفاده از چگالی حالت های الکترونی درسطح فرمی ، ضریب خطی گرمای ویژه الکترونی کل - - و هریک از اوربیتال های این ترکیب را از رابطه - 1 - محاسبهمی کنیم.نتایج این محاسبات در جدول2 آورده شده است.نتایج نشان می دهند که اوربیتال f اتم Np بیشترین سهم را در خواص ترابردی این ترکیب دارد.
بررسی فاز توپولوژی
فاز توپولوژی به آن دسته از مواد گفته می شود که درآن ها جفت شدگی اسپین مدار و تقارن وارونی زمان به گونه ای ترکیب می شودکه ترازهای کوانتومی اسپینی هال بدون حضور میدان مغناطیسی وبهدلیل جفت شدگی اسپین مدار حضور دارند . [7] برای بررسی فازتوپولوژی این ترکیب، ساختار نواری آن و چگونگی توزیع الکترونهای s و p وd روی نوارهای انرژی بررسی شده است. همانگونه که در شکل 3 مشاهده می کنیم، دراین ترکیب با وجود اینکه در فشار صفر Г6 با تقارن s گونه بالاتر از Г8 با تقارن p گونه قرار گرفته است و هیچ گونه وارونی نواری بین s وp وجود ندارد ، Г8 بالاتر از Г1 ، Г3 و Г4 واقع شده و بین اوربیتال های p وd وارونی نواری خواهیم داشت. معمولا وارونگی نواری به دلیل شکافتگی نواری ناشی از برهمکنش اسپین مدار اتفاق می افتد ولی عوامل دیگری همچون فشار و تغییر شکل شبکه به واسطه هر گونه اختلال نیز منجر به وارونگی نواری می شود .[8]
