Stabilité mécanique, propriétés électroniques et magnétiques des nitrures et carbures d’alcalino-terreux de type IIA-V : Calculs de premier-principes

Abstract

The structural, vibrational, elastic, mechanical, thermodynamic, magnetic, and electronic properties of MX (M=Ca, Sr, B, and X=C, N) compounds in different phases were studied using first principles calculations based on spin polarized density functional theory within the generalized gradient approximation (GGA-PBEsol) and the modified Becke-Johnson approach (mBJ-GGA-PBEsol) for the exchange-correlation energy and potential. The following phases: rock-salt (NaCl), CsCl, zinc blende (ZB), NiAs- and WZ-type hexagonal, tetragonal (P4/nmm), and orthorombic (Pnma) phases of MN and MC (M=Ca, Sr, Ba) compounds were considered. From the various phases, we obtained that the structural stable phase for CaN and SrN compounds is the NaCl phase whereas for the CaC and SrC compounds is the CsCl phase. We obtained also that Pnma phase has the lowest energy configuration as a function of the volume for both the BaN and BaC compounds. The ferromagnetic ground state configuration was found to be energetically more favored compared to the non-magnetic configuration in all compounds, except for the CsCl and tetragonal phases in the carbides compounds. The calculated elastic properties for the NaCl, ZB and WB phases of all considered compounds showed that they are elastically stable. The calculated elastic properties for the Pnma phase of BaN and BaC compounds show also that they are elastically stable. Considering the phonon dynamics of nitrides and carbides compounds in the NaCl, ZB and WZ phases, we observed that SrN, BaN, CaC, SrC, and BaC compounds in the NaCl and ZB phases are dynamically stable due to the absence of imaginary modes in phonons dispersion. However, CaN compound is dynamically unstable in all considered phases. We observed also that the BaN and BaC compounds in the Pnma phase are dynamically stable. The Pnma phase for the BaN and BaC compounds, which is a new phase was found to be dynamically and elastically stable. From electronic band structure and density of states calculations the nitrides and carbides compounds showed half-metallic behavior in the NaCl and ZB phases. The BaN and BaC compounds exhibit also half-metallic behaviour in the Pnma phase. The half-metallic (HM) and magnetic character found in nitrides and carbides compounds is attributed to the presence of spin polarized 2p orbitals of the nitrogen and carbon atoms, respectively. We found that nitrides and carbides compounds are half-metallic ferromagnets with magnetic moment of 1 μB and 2 μB per formula unit, respectivelyLes propriétés structurales, vibrationnelles, élastiques, mécaniques, thermodynamiques, magnétiques et électroniques des composés de type MX (M=Ca, Sr, B, and X=C, N) dans différentes phases ont été étudiées en utilisant des calculs de premiers-principes basés sur la théorie fonctionnelle de la densité à spin polarisé dans l'approximation de gradient généralisée (GGA-PBEsol) et l'approche de Becke-Johnson modifiée (mBJ-GGA-PBEsol) pour l'énergie et le potentiel d’échange et de corrélation. Les phases suivantes : Les phases rock-salt (NaCl), CsCl, zinc-blende (ZB), NiAs- et WZ-de type hexagonale, tetragonale (P4/nmm), et orthorombique (Pnma)) des composés de type MN and MC (M=Ca, Sr, Ba) ont été considérés. A partir des diverses phases, nous avons obtenu que la phase structurallement stable pour les composés CaN et SrN est la phase NaCl, tandis que pour les composés CaC et SrC est la phase CsCl. Nous avons aussi obtenu que la phase Pnma posséde la configuration d'énergie la plus basse en fonction du volume pour les deux composés BaN et BaC. La configuration de l'état fondamental ferromagnétique s'est avérée plus favorable sur le plan énergétique que la configuration non magnétique de tous les composés, à l'exception des phases CsCl et tétragonale dans les carbures. Les propriétés élastiques calculées pour les phases NaCl, ZB et WB de tous les composés considérés ont montré qu’ils sont élastiquement stables. Les propriétés élastiques calculées pour la phase Pnma des composés BaN et BaC montrent également qu'ils sont élastiquement stables. En considérant la dynamique des phonons des composés nitrures et carbures dans les phases NaCl, ZB et WZ, nous avons observé que les composés SrN, BaN, CaC, SrC et BaC dans les phases NaCl et ZB sont dynamiquement stables en raison de l’absence de modes imaginaires dans la dispersion de phonons. Cependant, le composé CaN est dynamiquement instable dans toutes les phases considérées. Nous avons également observé que les composés BaN et BaC dans la phase Pnma sont dynamiquement stables. La phase Pnma pour les composés BaN et BaC, qui est une nouvelle phase, s'est avérée dynamiquement et élastiquement stables. D'après les calculs de structure de bande électronique et de densité d'états, les composés de nitrures et de carbures présentaient un comportement demi-métallique dans les phases NaCl et ZB. Les composés BaN et BaC présentent également un comportement demi-métallique dans la phase Pnma. Le caractère demi-métallique (HM) et magnétique des composés nitrures et carbures est attribué à la présence d'orbitales 2p polarisées en spin des atomes d'azote et de carbone, respectivement. Nous avons constaté que les composés nitrures et carbures sont des ferromagnétiques demi-métalliques avec un moment magnétique de 1 μB et 2 μB par unité de formule, respectivement.تمت دراسة الخواص التركيبية، الاهتزازية، المرنة، الميكانيكية، الترموديناميكية، المغناطيسية والإلكترونية للمركبات (M=Ca, Sr, B, and X=C, N) MX في أطوار مختلفة باستخدام حسابات المبادئ الأولية القائمة على نظرية الكثافة الوظيفية ذات السبين المستقطب ضمن تقريب تدرج معمَّم (GGA-PBEsol) وتقريب Becke-Johnson المعدَّل (mBJ-GGA-PBEsol) للطاقة وكمون التبادل والإرتباط. الأطوار التالية: الملح الصخري (NaCl) ،المكعب البسيط CsCl ،كبريت الزنك (ZB) ،السداسي نوع-NiAs و WZ، رباعي الزوايا (P4/nmm) ، وأطوار معين متعامد الزوايا (Pnma) للمركبات MN و MC (M=Ca, Sr, Ba) أُخِذت بعين الإعتبار. من خلال مختلف الأطوار، وجدنا أن الطور الأكثر استقرارا للمركبين CaN و SrN هو الطور NaCl، في حين عند المركبين CaC و SrC يكون الطور CsCl. وجدنا كذلك الطور Pnma يحتوي على أقل طاقة تكوين بالنسبة للحجم لكلا المركبين BaN و BaC. تكوين الحالة الأساسية الفيرومغناطيسية تبدو أفضل من الناحية الطاقوية من التكوين الغير مغناطيسي لجميع المركبات باستثناء طوري CsCl و رباعي الزوايا للكربيدات. أظهرت الخصائص المرنة المحسوبة للأطوار NaCl و ZB و WZ في جميع المركبات المعتبرة أنها من الناحية المرنة مستقرة.كما تظهر الخصائص المرنة المحسوبة للطور Pnma لمركبي BaN و BaC أنها أيضًا الناحية المرنة مستقرة. أخذا بالإعتبار حركية الفونونات لمركبات النتريد والكربيد في أطوار NaCl، ZB و WZ، لاحظنا أن المركبات SrN و BaN و CaC و SrC و BaC في طوري NaCl و ZB مستقرة ديناميكيًا نظرًا لعدم وجود نمط تخيلي في تشتت الفونونات. غير أن المركب CaN غير مستقر ديناميكياً في جميع الأطوار المعتبرة. لاحظنا أيضًا أن المركبان BaN و BaC في الطور Pnma مستقرين ديناميكيًا. الطور Pnma للمركبين BaN و BaC، هو طور جديد، يبدو مستقرا ديناميكيًا ومرونيا. من حسابات بنية الشريط الإلكتروني وكثافة الحالات، أظهرت مركبات النتريد والكربيد سلوك نصف معدني في مرحلتي NaCl و ZB. أيضًا يُظهر المركبين BaN و BaC سلوكًا نصف معدني في طور Pnma. يُعزى السلوك النصف معدني (HM) والمغناطيسي لمركبات النتريد والكربيد إلى وجود مدارات 2p مستقطبة عند السبين لذرتي الآزوت والكربون على التوالي. استنتجنا أن مركبات النتريد والكربيد فيرومغناطيسية نصف معدنية ذات عزم مغناطيسي يتراوح من 1 μB إلى 2 μB لكل وحدة تركيب، على التوالي.