بخشی از مقاله
چکیده
پروسکایت دوگانه Sr2CoWO6 با استفاده از بستهی محاسباتی کوانتوم اسپرسو بر پایه نظریهی تابعی چگالی - - DFT مورد مطالعه قرار گرفت. در ابتدا بهینهسازی ساختاری کامل با تقریب شیب تعمیم یافته - - GGA انجام گرفت. سپس خواص ساختاری و الکترونی و همچنین فاز مغناطیسی پایدار آن از میان فازهای فرومغناطیس، آنتیفرومغناطیس و غیرمغناطیسی با استفاده از دو تقریب GGA و GGA+U محاسبه شد. نتایج حاصل از تصحیح همبستگی قوی با تجربه سازگاری خوبی داشت در حالیکه تقریب شیب تعمیم یافته نسبت به آن دارای خطای بیشتری بود.
مقدمه
پروسکایتهای دوگانه با ساختار عمومی A2%%ʼ26 به دلیل داشتن خواص الکتریکی و مغناطیسی جذابی مثل مقاومت مغناطیسی بزرگ، نیمه فلزی، ابررسانایی و رسانایی یونی استثنایی مورد توجه محققین قرار گرفتهاند.[1] همچنین این ساختارها انعطاف پذیری شیمیایی بالایی داشته و عناصر گوناگونی میتوانند در جایگاههای اتمهای A، B و %ʼ قرار بگیرند.
از جمله کاربردهای پروسکایتهای دوگانه میتوان به کاربردهای اسپین ترونیک مثل حافظهها و سنسورهای مغناطیسی[2]، سوختهای فسیلی[3] و سلول خورشیدی اشاره کرد. که این دامنه کاربردی وسیع نیز به جذابیت این ساختارها در میان دانشمندان افزوده است. اولین مطالعه درمورد - A = Ba, Sr - A2CoWO6 در سال 1959 توسط فرسیا و همکارانش انجام گرفت که در آن Ba2CoWO6 در دمای اتاق مکعبی و Sr2CoWO6 دارای ساختار تتراگونال گزارش شد.[4]
در سال 2003 نیز گاتشکی و همکارانش نشان دادند که Sr2CoWO6 یک گذار فاز پیوسته از تتراگونال به مکعبی را در نزدیک دمای 430 درجه سانتیگراد تحمل میکند.[4] در این مقاله از بین ساختارهای گوناگون گزارش شده برای Sr2CoWO6، فاز پایدار آن در دمای اتاق، تتراگونال، را انتخاب کردیم. محاسبات بر پایهی نظریهی تابعی چگالی انجام گرفت. نتایج حاصل از تصحیح همبستگی قوی نشان میدهد که ساختار تتراگونال Sr2CoWO6 یک نیمه فلز آنتیفرومغناطیس خواهد بود.
سامانههای همبستهی الکترونی قوی مثل اکسیدهای
فلزهای واسطه با استفاده از تصحیح همبستگی قوی - GGA+U - اصلاح شده و نتایج دقیقتری را ارائه میدهند. در این مقاله برای قرار دادن مقدار مناسب پارامتر هابارد، مقادیر انرژی را برای سه مقدار متفاوت U = 4, 5, 6 محاسبه کرده و کمینهی انرژی را در U = 5 مشاهده کردیم. سپس خواص ساختاری و الکترونی ترکیب Sr2CoWO6 را برای دو تقریب GGA و GGA+U با هم مقایسه کردیم.
نتایج و بحث:
در کار حاضر ابتدا بهینهسازی ساختاری کامل - واهلش پارامترهای شبکه و همچنین موقعیتهای یونی - انجام گرفته و منحنی انرژی کل به ازاء واحد مولکول بر حسب حجم تحت برازش معادله حالت مورناگون در شکل1 رسم شد. به کمک این منحنی پارامترهای بهینهی شبکه را تعیین کرده و با نتایج تجربی گزارش شده مقایسه کردیم - جدول. - 1
همانطور که در جدول2 مشاهده میشود در GGA اختلاف انرژی ناچیزی بین فرومغناطیس و آنتیفرومغناطیس وجود داشته و فاز فرومغناطیس انرژی کمتری دارد اما با تصحیح GGA+U اختلاف انرژی افزایش یافته و فاز آنتیفرومغناطیس پایدارتر خواهد بود که این نتیجه با تجربه سازگاری دارد.[7] بنابراین برای این ساختار تقریب شیب تعمیم یافته نسبت به همبستگی قوی خطای بیشتری دارد.
لازم به ذکر است که فاز غیرمغناطیسی، در GGA ناپایدارترین فاز و مقدار انرژی آن به ازاء واحد مولکول -572/578 ریدبرگ میباشد. در حالیکه پس از اعمال روش GGA+U برای دو فاز فرومغناطیس و آنتیفرومغناطیس و مقایسه با فاز غیر مغناطیسی به نظر میرسد که فاز غیر مغناطیسی پایدارتر است. کمتر بودن مقدار انرژی این فاز به این معنی است که از بین دو عامل همبستگی قوی و قطبش اسپینی، عامل اول تاثیر بیشتری روی سیستم میگذارد. بنابراین همانطور که قبلا ذکر شد، فاز آنتیفرومغناطیس پایدارترین فاز در روش GGA+U میباشد.
در ادامه خواص الکترونی ترکیب پایدار آنتیفرومغناطیس Sr2CoWO6 را با استفاده از چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی بررسی کردیم. با توجه به شکل3 در GGA چگالی حالتهای کلی در دو مسیر اسپین بالا و پایین متقارن بوده و خاصیت نیمه فلزی در فاز آنتیفرومغناطیس آشکار نمیشود. اما با تصحیح همبستگی قوی اوربیتالهای d جایگزیدهتر شده و ترازهای انرژی در اطراف انرژی فرمی به سمت ترازهای انرژی کمتر جابهجا میشوند. این جابهجایی انرژی باعث ایجاد گافی در حدود 2/3 الکترون ولت برای اسپین بالا میشود که در مرجع [2] این گاف برابر با 2/73 الکترون ولت گزارش شده است.
در واقع با در نظر گرفتن اثر GGA+U، ساختار تتراگونال Sr2CoWO6 در مسیر اسپین پایین یک فلز مغناطیسی و در مسیر اسپین بالا یک عایق مغناطیسی است و این همان خاصیت نیمه فلزی میباشد. در نهایت با استفاده از چگالی حالتهای جزئی ساختار مغناطیسی تتراگونال Sr2CoWO6 سهم هر اتم را در تشکیل پیوند و بروز خاصیت نیمه فلزی بررسی میکنیم.
