Etude ab initio des propriétés électroniques et demi-métalliques ferromagnétiques du CaS , dopé aux 3d-(V, Cr, Co) pour applications à l’électronique de spin.

Abstract

الملخص (بالعربية) :

ملخص

قمنا بإجراء حسابات من المبادئ الأولية من أجل دراسة البنية الإلكترونية والخصائص النصف المعدنية المغناطيسية للمركبات شبه الموصلة المخففة (TM = V,Cr ,Co) Ca1-xTMxS ذات البنية البلورية للملح الصخري NaCl بالتركيزات= x 0.125 ,0.062 و0.25 باستعمال مقاربة طريقة الأمواج المستوية المتزايدة خطيا ذات الكمون الكامل (FP-LAPW) لنظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ضمن تقريب التدرج المعمم لوو و كوهين Wu-Cohen (WC- GGA) و كمون باك-جونسون المعدل من طرف تران و بلاها Tran Blaha modified Becke Johnson (TBmBJ) لتقدير طاقة التبادل والارتباط المدمجة في برنامج.Wien2k وقد تم حساب ميزات فيزيائية مثل ثابت الشبكة البلورية ، معامل القابلية للانضغاط و مشتقته الاولى ، بنية النطاق الإلكتروني مستقطبة اللف المغزلي (السبين)، كثافات الحالات الإلكترونية الكلية و الموضعية أو الجزئية والخصائص المغناطيسية. تظهر البنية الإلكترونية أن المركبات Ca1-xVxSو Ca1-xCrxSبجميع التركيزات المدروسة وCa1-xCoxS المخفف مع0.0625 = x هي مركبات نصف معدنية فيرومغناطسية مع استقطاب كامل للف الدوران المغزلي بنسبة %100 . تظهر العزوم المغناطيسية الإجمالية المحسوبة ل Ca1-xCoxS و Ca1-xVxS نفس القيمة الصحيحة 3µB بينما المركب Ca1- xCrxS يبرز عزما مغناطيسيا بقيمة 4µB والتي تؤكد السلوك نصف المعدني الفيرومغناطيسي لهذه المركبات. قمنا أيضًا بحساب قيم انقسام نطاقات التكافؤ والتوصيل وثوابت التبادلN0α و β.N0 كما وجدنا أن الحالة الفيرومغناطيسية تستقر من خلال التبادل p-d المرتبط بآلية التبادل المزدوج. المركبات المخففة Ca1-xTMxS (TM = V,Cr ,Co) تبدو أنها مرشحات جديدة و واعدة للتطبيقات في ميادين السبينترونيك.

الكلمات المفتاحية : المبدأ الأول ، نظرية الكثافة الوظيفية ، أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة ، الفيرومغناطيسية شبه المعدنية ، السبينترونيك.

---------------------------------------------- Résumé

Nous avons effectué des calculs de premier-principe afin d'étudier la structure électronique et les propriétés demi-métalliques ferromagnétiques des composés semi-conducteurs magnétiques dilués Ca1-xTMxS (TM = V, Cr et Co) dans la structure rocksalt du NaCl à des concentrations x = 0.0625, 0.125 et 0.25 en utilisant l'approche des ondes planes augmentées linéarisées à potentiel total (FP-LAPW) de la théorie fonctionnelle de la densité avec l'approximation du gradient généralisé de Wu-Cohen (WC-GGA) et le potentiel de Tran Blaha modified Becke-Johnson (TB-mBJ) pour l’estimation de l’énergie d’échange et de corrélation tel qu'implémenté dans le code Wien2k. Des caractéristiques telles que la constante de réseau, le module de compressibilité et sa première dérivée, les structures de bandes en spin polarisé, les densités d’états électroniques totales et locales ou partielles et les propriétés magnétiques ont été calculées. La structure électronique montre que les composés Ca1-xVxS et Ca1-xCrxS à toutes les concentrations étudiées et Ca1-xCoxS dilué avec x = 0.0625 sont demi-métalliques ferromagnétiques avec une polarisation de spin complète de 100%. Les moments magnétiques totaux calculés pour Ca1-xVxS et Ca1-xCoxS montrent la même valeur entière de 3 µB et Ca1-xCrxS présentent un moment magnétique total de 4 µB, ce qui confirme le comportement demi-métallique ferromagnétique de ces composés. Nous avons également calculé les valeurs du splitting de spin des bandes de valence et de conduction et les constantes d'échange. Nous avons constaté que l'état ferromagnétique est stabilisé par l'échange p-d associé au mécanisme du double-échange. Les composés Ca1-xTMxS (TM = V, Cr et Co) dilués s'avèrent être de nouveaux candidats prometteurs pour les applications dans les domaines de la spintronique.

Les mots clés : Premier-principe, Théorie de la fonctionnelle de la densité, Semi-conducteurs magnétiques dilués, Ferromagnétisme demi-métallique, Spintronique.

---------------------------------------------- Abstract

We performed first principles calculations in order to study the electronic structure and the half metallic ferromagnetic properties of diluted semiconducting compounds Ca1-xTMxS (TM =V, Cr and Co) in the rocksalt structure of NaCl at concentrations x = 0.0625, 0.125 and 0.25 using the full potential linearized augmented plane waves (FP-LAPW) approach of the density functional theory with the Wu-Cohen generalized gradient approximation (WC-GGA) and the Tran Blaha modified Becke-Johnson (TB-mBJ) potential for estimation of the exchange and correlation energy as implemented in the Wien2k code. Features such as lattice constant, bulk modulus and its first derivative, spin-polarized band structures, total and local or partial electronic densities of states and magnetic properties have been computed. The electronic structure show that Ca1-xVxS and Ca1-xCrxS compounds at all the studied concentrations and the diluted Ca1-xCoxS with x = 0.0625 are half metallic ferromagnets with a complete spin polarization of 100%. The calculated total magnetic moments for Ca1-xVxS and Ca1-xCoxS show the same integer value of 3 µB and Ca1-xCrxS exhibit a total magnetic moment of 4 µB, which confirm the half-metallic ferromagnetic behavior of these compounds. We also calculated the values of the band edge spin splitting of the valence and conduction bands and the exchange constants. We have found that the ferromagnetic state is stabilized by the p-d exchange associated with the double-exchange mechanism. The diluted Ca1-xTMxS (TM = V, Cr et Co) compounds are found to be new promising candidates for applications in spintronic fields.

Keywords: Keywords: First principles, Density functional theory, Diluted magnetic semiconductors, Half-metallic ferromagnetism, Spintronic.