بخشی از مقاله
چکیده
خواص الکترونی و مغناطیسی فاز مکعبی ترکیب SrMnO3 با رهیافت نظریه تابعی چگالی مطالعه و بررسی شده است. ساختار آنتیفرومغناطیس نوع G حالت مغناطیسی پایدار ساختار مکعبی SrMnO3 است. ترکیب فوق، رفتار عایقگونه با گاف نواری حدود 0/3 eV دارد. درحالیکه برهمکنشهای پیوندی شامل Sr یونی هستند، سهم کووالانی مهمی در پیوند Mn-O وجود دارد. ممان مغناطیسی محاسبهشده یونهای Mn در حالت پایه مغناطیسی ساختار مکعبی SrMnO3 برابر 2/69 ʽBاست. توافق نسبتاً خوبی بین مقدار محاسبه شده و مقدار تجربی آن با در نظر گرفتن خطای موجود در اندازهگیری وجود دارد.
مقدمه
ترکیبات با ساختار پروسکایت بهدلیل ازدیاد تنوع در ویژگیهای ساختاری و فیزیکی - الکتریکی و مغناطیسی - ، بهطورگسترده مورد بحث و بررسی قرار گرفتهاند .[1] گسترهی وسیعی از این پروسکایتها، اکسیدهای سهتایی با فرمول ABO3 را تشکیل میدهند. بسیاری از این ترکیبات به صورت ساختاری بهطور کامل بررسی شدهاند. پروسکایتهای شامل کاتیون B که دارای الکترونهای تراز 3d هستند، از نقطهنظر الکتریکی ومغناطیسی مورد توجه خاصی قرار گرفتهاند. بهعنوان نمونه میتوان به پروسکایتهای CaMnO3 و SrMnO3 اشاره کرد. ترکیب SrMnO3 شامل یونهای با اندازه متوسط Sr2+، پلیمورفی با قطبش و نظم مغناطیسی پیچیده رقم خورده و بهعنوان مادهای با ویژگی چندگانه الکتریکی-مغناطیسی از توجه زیادی برخوردار است .[2]
مطابق مطالعات انجامشده، ترکیب SrMnO3 تحت شرایط دمایی مختلف، حالتهای پایداری در ساختارهای اورترومبیک، هگزاگونال و مکعبی نشان میدهد .[3] بهطور خاص، پلیمورف مکعبی SrMnO3، با بیشترین تقارن، بهدلیل قابلیتهایکاربردی و ویژگیهای مغناطیسی آن مورد توجه بیشتری واقع است. این ساختار در دماهای پایین بهصورت ترکیبی نیمهپایدار با ساختار آنتیفرومغناطیس نوع G ظاهر میشود .[4] در کار حاضر،به مطالعه دقیق ساختار مکعبی SrMnO3 با رهیافت نظریه تابعی چگالی پرداخته شده و خواص ساختاری و ویژگیهای مغناطیسی ترکیب، مورد مطالعه قرار گرفته است.
ساختار بلوری و مغناطیسی
ساختار بلوری پلیمورف مکعبی SrMnO3 - گروه فضایی - Pm3m در شکل 1 نمایش داده شده است. اتمهای Sr و Mnبهترتیب در مختصاتهای - 0,0,0 - و - 0.5,0.5,0.5 - ، و اتم اکسیژن در - 0.5,0.5,0 - ، - 0,0.5,0.5 - و - - 0.5,0,0.5 قرار دارند. کاتیونهای Mn توسط 6 آنیون O در طرحوارههای هشت وجهی احاطه شدهاند، بهگونهای که طول تمام پیوندهای آن یکسان است.از دیدگاه ساختار مغناطیسی، بسته به برهمکنش تبادلی بین کاتیونهای Mn - برهمکنش - Mn-O-Mn درون صفحهای و بین صفحهای، چندین ساختار مغناطیسی ممکن برای ترکیب مکعبی SrMnO3 وجود دارد. در ساختار فرومغناطیس - B - هردو برهمکنشهای داخل و بین صفحهای فرومغناطیس هستند. جفتشدگی آنتیفرومغناطیس درون صفحهای و فرومغناطیس بین صفحهای منجر به نظم آنتیفرومغناطیس نوع A و شرایط عکس آن، منجر به نظم آنتیفرومغناطیس نوع C میشود. در مواردی که هر دو برهمکنشها آنتیفرومغناطیس هستند، منجر به نظم آنتیفرومغناطیس نوع G میشود. چهار نوع نظم مغناطیسی که در اینجا بررسی شده، در شکل 2 آورده شده است. نتایج تجربی دال بر این هستند که ساختار مکعبی حالت آنتیفرومغناطیس نوع G را اختیار میکند.
جزییات محاسبات
در کار حاضر، از رهیافت موج تخت و شبهپتانسیل که در بستهنرمافزاری Quantum ESPRESSO پیادهسازی شده، استفاده کردهایم. محاسبات خودسازگار در تقریب گرادیان تعمیمیافته و بهکمک شبهپتانسیلهای بارپایسته انجام شده است. انرژی قطع موج تخت و شبکهبندی نقاط k حاصل از تستهای همگرایی به ترتیب 150 Ry و 6×6×6 - معادل 18 نقطه مجزا k در ناحیه اول بریلوین - انتخاب گردید. برای تعیین مدول کپهای B0 و مشتق مدول کپهای B'0، از معادله حالت بیرچ-مورناگان و برازش به دادههای انرژی کل محاسبهشده در حجمهای مختلف کمک گرفته شده است. در حین محاسبهی انرژی کل، به تمامی موقعیتهای اتمی اجازه تغییر دادهایم.
نتایج و بحث ساختار بلوری
نتایج محاسبات انرژی کل و پارامترهای شبکه یاخته واحد برای تمامی حالتهای مغناطیسی ساختار مکعبی SrMnO3 در مقایسه با دادههای نظری و تجربی در جدول 1 آورده شده است.
تمامی حالتهای آنتیفرومغناطیس SrMnO3 در مقایسه با نظم فرومغناطیس آن مطلوبتر هستند که این امر ناشی از پیوند ابر تبادلی با اربیتالهای p اکسیژن است. حالت پایه ساختار مکعبی SrMnO3، حالت آنتیفرومغناطیس نوع G بهدست آمد که در تطابق با نتایج تجربی [6] و نظری [5] است. ممان مغناطیسی محاسبهشده یونهای Mn در حالت پایه مغناطیسی ساختار مکعبی SrMnO3 برابر 2/69 ʽBاست. توافق نسبتاً خوبی بین مقدار محاسبه شده و مقدار تجربی ممان مغناطیسی [6] با در نظر گرفتن خطای موجود در اندازهگیری - 2/6 0/2 ʽB - مشاهده میشود.
کمتر بودن این مقدار نسبت به ممان مغناطیسی خالص یون Mn4+ در این ساختار پیوند کووالانی اتم منگنز با اکسیژن را تأیید میکند.در ساختار مکعبی SrMnO3، جهتگیری آنتیفرومغناطیس اسپینهای اتمهای Mn را با برهمکنشهای فوق تبادلی Mn-O-Mn، تفسیر میکنند. در این حالت، دو اتم Mn از طریقاربیتال p اتم اکسیژن برهمکنش کرده که منجر به اسپینهای پادموازی روی اتمهای Mn همسایه میشود. مقادیر مدول کپهای B0 و مشتق مدول کپهای B'0 ساختار مکعبی SrMnO3 از برازش معادله حالت بیرچ -مورناگان به منحنی تغییرات انرژی کل نسبت به حجم - شکل - 3 محاسبه و در جدول 1 خلاصه شدهاند.
نتایج به دست آمده، برای حالت فرومغناطیس رفتار نیمهفلزگونه مشاهده میشود. الکترونهای با اسپین بالا در نزدیکی انرژی فرمی - EF - سهم محدودی در چگالی حالتهای الکترونی ایفا میکننددرحالیکه الکترونهای با اسپین پایین در اطراف انرژی فرمی گاف عایقگونه در حدود 0/7 eV دارند. پایداری ساختار فرومغناطیس،ویژگیهایی را در ارتباط با ادوات اسپینترونیک به همراه دارد. هردو ساختار آنتیفرومغناطیس نوع A و C جمعیت الکترونی کمی در انرژی فرمی دارند، بنابراین برای هر دو الکترونهای با اسپین بالا و پایین خواص هدایتی انتظار میرود. حالت پایه ساختار مکعبی SrMnO3 آنتی فرومغناطیس نوع G با گاف نواری حدود 0/3 eV بهدست آمد. در ادامه، تنها بر روی حالت پایه ساختارمکعبی SrMnO3 - آنتیفرومغناطیس نوع - G بحث خواهیم کرد.
ساختار الکترونی
شکل 4 چگالی حالتهای الکترونی را برای حالتهای مختلف مغناطیسی ساختار مکعبی SrMnO3 نشان میدهد. مطابق شکل :4 چگالی حالتهای الکترونی حالتهای مختلف مغناطیسی ساختار مکعبی :SrMnO3 الف - آنتیفرومغناطیس نوع G، ب - آنتیفرومغناطیس نوع C، ج - آنتی فرومغناطیس نوع A و د - فرومغناطیس نوع .B
