بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ساختار نواری و فاز توپولوژی ترکیب NpAl2 و نانولایه آن مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات با استفاده از کد Wien2k و براساس نظریه تابعی چگالی و رهیافت های GGA و GGA+U انجام شده است. با استفاده از نمودار ساختار نواری ، فاز توپولوژی، نظم نواری وقدرت وارونگی نواری این ترکیب ونانولایه آن مطالعه شده است.
واژههای کلیدی: نظریه×تابعی×چگالی،×فاز×توپولوژی،×ساختار×نواری
مقدمه
در بلورها وترکیبهایی که حاوی اتم های سنگین مانند لانتاتیدها و اکتنیدها می باشند اثرهای نسبیتی از اهمیت خاصی برخوردارند. ترکیب NpAl2 نیز یکی از این ترکیبات است لذا تمامی محاسبات این 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 آنهابرهمکنش اسپین مدار نقش اساسی دارد. این مواد در حالت توده ای رسانا یا نارسانای معمولیاند ولی در روی سطح ، دارای حالتهای رسانش کامل در سطح میباشند .[1]
وجود حالت های رسانش کامل در سطوح می توانند به خواص غیرعادی در هدایت الکترونی منجر شوند. به این مواد رسانا یا نارسانای توپولوژی میگویند .[2]یکی از روشهای شناسایی فاز توپولوژی مواد، بررسی نظم نواری آنهاست ، لذا دراین مقاله به بررسی نظم نواری این ترکیب و نانولایه آن خواهیم پرداخت. ترکیب NpAl2 دارای ساختار مکعبی با گروه فضایی Fd-3m است که در این ترکیب اتمهای Np در موقعیتهای - 0/875 , 0/375 , 0/375 - و - - 0/125 , 0/625 , 0/625 واتمهای Al درموقعیت 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 استفاده از کد محاسباتی [4] Wien2k بر اساس روش امواج تخت بهبود یافته خطی - LAPW - و تقریب گرادیان شیب تعمیم یافته [5] - GGA - در حضور برهمکنش اسپینمدارانجام شده است. با توجه به این که اتم Np در ترکیب 2 دارای اوربیتال f پرنشده است، لذا جایگزیدگی الکترون های f این اتم بر خواص فیزیکی این ترکیب تاثیر بسزایی دارند. به همین منظور برای محاسبه انرژی تبادلی همبستگی علاوه بر رهیافت GGA، از رهیافت GGA به اضافه پارامتر هابارد - GGA+U - نیز استفاده می کنیم.میزان جایگزیدگی الکترون های یک اتم با مقدار پارامتر هابارد مشخص می شود. پارامتر هابارد اتم Np را در این ترکیب به روش ابتدا به ساکن محاسبه کردیم. مقدار به دست آمده برای اتم Np برابر با 0/09 الکترون ولت است. در این محاسبات شعاع کره مافین تین برای اتم های Np و Al 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 بردار موج شبکه وارون و GMAX بردارموج قطع دربسط پتانسیل و چگالی باراست، با استفاده از همگرایی انرژی به ترتیب 9 و 14 به دست آمده اند. همچنین انرژی جداسازی -7/5 ریدبرگ و تعداد نقاط بهینه در فضای وارون 5000نقطه انتخاب شده است.برای بررسی نانولایه این ترکیب، ابر یاخته این ترکیب را در راستای - 001 - با 20 بوهر خلأ برش میدهیم. خلأ را به صورت متقارن در بالا و پایین ابریاخته قرار میدهیم. در ساخت این نانولایه، حالتهای سطحی ای انتخاب میشود کهنانولایه پایدارتری ایجاد کند. بدین منظور انرژی همدوسی نانولایه NpAl2 در هر دو حالت سطحی ممکن محاسبه شد و مشاهده شد هنگامی که لایه اتمی متشکل از اتم های Al روی سطح آن قرار دارد مقدار انرژی کمتر و در نتیجه این نانولایه پایدارتر است. یاخته یکه نانولایه NpAl2 دارای ساختار مکعبی ساده و گروه فضایی Pmma است.
ویژگیهای ساختاری
انرژی کل ترکیب NpAl2 برحسب حجم در دو فاز فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی ، درحضور و در غیاب برهمکنشاسپین مدار با استفاده از رهیافتهای GGA و GGA+U محاسبه شده است. نتایج حاصل از این محاسبه که با استفاده از معادله حالت بریچ مورناگان برازش داده شده نشان میدهد که این ترکیب در فاز پایدار فرومغناطیس است و برهم کنش اسپین مدار تأثیر قابل ملاحظه ای بر انرژی این ترکیب دارد و قابل صرف نظر کردن نیست .
