Étude ab-initio du ferromagnétisme dans les chalcogénures de métaux de transition demi-métalliques de type CrX (X = S, Se, Te)

Abstract

باستخدام الموجات المستوية الخطية ذات الإمكانات الكاملة بالإضافة إلى المدارات المحلية (FP-LAPW) ، ضمن تقريب التدرج المعمم (GGA) و GGA + U (تصحيح Hubbard Coulomb في الموقع) بالإضافة إلى نهج Becke-Johnson المعدل (mBJ-GGA) و mBJ-GGA + U) ، قمنا بإجراء تحقيق منهجي للخصائص الهيكلية والإلكترونية والمغناطيسية للمركّبات CrS و CrSe و CrTe في الهياكل البلورية المختلفة: CsCl و NiAs NaCl و ZB و WZ. حصلنا على فجوات نصف معدنية (1.35) (2.32) و 1.65 (2.49) و 1.52 (1.80) للمركّبات CrS و CrSe و CrTe ، على التوالي ، في طور ZB ضمن GGA + U, (mBJ-GGA) + U).و فجوات طاقة HM هي 1.78 و 2.11 و 1.53 لمركبات CrS و CrSe و CrTe ، على التوالي ، في طور WZ باستخدام GGA + U. والجدير بالذكر أن CrSe و CrTe باستخدام منهج mBJ-GGA + U هما نصف أشباه موصلات (HSC) في مرحلة WZ. وقد حصلنا على فجوات طاقة كالتالي HSC هي 0.94 و 0.25 eV للمركبين CrSe و CrTe ، على التوالي ، في حين أن CrS لديه فجوة طاقة HM تبلغ 2.30 eV. لاحظنا انتقال HSC إلى HM للهياكل الكريستالية CrSe و CrTe على تطبيق الإجهاد.للمركبات CrS و CrSe و CrTe لحظة مغناطيسية إجمالية قدرها (4.0 μB) لكل وحدة صيغة مع المغنطة في الغالب من أيون. (Cr) هده النتائج الملاحظة من كثافة الحالات وتطور الضغوط المحصل عليها تحفز مزيدًا من الاستكشاف التجريبي للمركبات CrS و CrSe و CrTeعلى التطبيقات سبينترونيك. الكلمات الرئيسية: نظرية الدالة الوظيفية للكثافة (DFT, Density Functional Theory) • المغناطيسية الحديدية • نصف المعادن • نصف أشباه الموصلات • المعادن الانتقالية. -------------------------------------- Résumé (en Français) : En utilisant la méthode des ondes planes augmentées à potentiel total plus des orbitales locales (FP-LAPW), dans l'approximation du gradient généralisé (GGA) et GGA + U (correction Hubbard) ainsi que l'approche de Becke-Johnson modifiée (mBJ-GGA et mBJ-GGA + U), nous avons mené une étude systématique des propriétés structurales, électroniques et magnétiques des composés CrS, CrSe et CrTe dans différentes phases concurrentes: CsCl, NaCl, NiAs, zinc-blende (ZB), et wurtzite (WZ). Nous avons obtenu des gaps demi-métalliques (HM) de 1,35 (2,32), 1,65 (2,49) et 1,52 (1,80) pour les composés CrS, CrSe et CrTe, respectivement, dans la phase ZB avec l’approche GGA + U (mBJ-GGA + U). Les gaps HM sont de 1,78, 2,11 et 1,53 pour les composés CrS, CrSe et CrTe, respectivement, dans la phase WZ en utilisant GGA + U. Notamment, CrSe et CrTe en utilisant l'approche mBJ-GGA + U sont des demi-semiconducteurs (HSC) dans la phase WZ. Les gaps HSC sont respectivement de 0,94 et 0,25 eV pour les composés CrSe et CrTe, tandis que CrS a un gap HM de 2,30 eV. Nous avons observé une transition HSC-HM pour les structures cristallines CrSe et CrTe lors de l'application d'une contrainte. Les composés CrS, CrSe et CrTe ont un moment magnétique total de 4.0 μB par unité de formule, le magnétisme provenant principalement de l'ion Cr. Les principales caractéristiques observées à partir de la densité d'états et de l'évolution des contraintes devraient motiver davantage l'exploration expérimentale sur l'application possible des composés CrS, CrSe et CrTe pour des applications spintroniques. Les mots clés : Théorie fonctionnelle de la densité; Ferromagnétisme ; Demi-métaux; Demi-semiconducteurs ; Métaux de transition.

---------------------------------------

Abstract (en Anglais) : Using full-potential linear-augmented plane waves plus local orbitals (FP-LAPW) method, within the generalized gradient approximation (GGA) and GGA +U (Hubbard Coulomb onsite correction) as well as the modified Becke-Johnson approach (mBJ-GGA and mBJ-GGA +U), we have carried out a systematic investigation of the structural, electronic, and magnetic properties of CrS, CrSe, and CrTe compounds in different competing phases: the CsCl, NiAs NaCl, zinc-blende (ZB) and wurtzite (WZ) structures. We obtained half-metallic (HM) gaps of 1.35 (2.32), 1.65 (2.49), and 1.52 (1.80) for the CrS, CrSe, and CrTe compounds, respectively, in the ZB phase within the GGA +U (mBJ-GGA +U) approach. The HM gaps are 1.78, 2.11, and 1.53 for CrS, CrSe, and CrTe compounds, respectively, in the WZ phase using the GGA +U. Notably, the CrSe and CrTe using the mBJ-GGA +U approach are a half-semiconductor (HSC) in the WZ phase. The HSC gaps are 0.94 and 0.25 eV for CrSe and CrTe compounds, respectively, while CrS has a HM gap of 2.30 eV. We observed a HSC-to-HM transition for the CrSe and CrTe crystal structures on application of strain. The CrS, CrSe, and CrTe compounds have a total magnetic moment of 4.0 μB per formula unit with the magnetization predominantly from the Cr ion. The main features observed from the density of states and strain evolution should motivate further experimental exploration on the possible application of the CrS, CrSe, and CrTe compounds for spintronic applications. Keywords : Density functional theory; Ferromagnetism; Half-metals; Half-semiconductors; Transition metals.