Etude ab-initio de l’effet de défaut lacunaire et substitutionnel sur la structure électronique de l’anti-pérovskite Ca3BiP

Abstract

الملخص (بالعربية) : الجزء الاول ندرس جميع احتمالات الشغور التي يمكن أن تحفز المغناطيسية في Ca3BiP للبيروفسكايت العكسي باستخدام حساب الموجة المعزز الخطي الكامل الكامن ضمن التدرج المعمم (PBE-GGA) ونسخة معدلة اقترحها بيك وجونسون (TB-mBJ) لترابط التبادل. تم أخذ تأثيرات اقتران الدوران-المدار (SOC) في الاعتبار أيضًا في هذه الدراسة. لقد درسنا تأثير جميع الشواغر الكاتيونية و/أو الأنيونية على التركيب المغناطيسي في هذا النظام. بالنسبة إلى Ca3BiP غير المغناطيسية، تُظهر هياكل النطاق المحسوبة وكثافة الحالات طابع شبه معدني وشبه موصل تم الحصول عليها بواسطة تقريب PBE-GGA و TB-mBJ على التوالي. بدون تفاعلات المدار الدوراني ، نجد أن أنظمة استرخاء Ca3-xBiP و Ca3-xBiP1-x لها عزوم مغناطيسية تبلغ 2.44701 μB و 3.96894 μB على التوالي. تظهر نتائج كلا النهجين أن شواغر الكالسيوم والفوسفور هي المسؤولة عن المغناطيسية في بيروفسكايت العكسي Ca3BiP بسبب استقطاب الدوران الذي يأتي بشكل أساسي من حالات التكافؤ لأقرب الذرات المحيطة بهذه الوظائف الشاغرة. في حالة الشواغر الأخرى المدروسة ، لم يتم العثور على المغناطيسية وكل المواد تتخذ طابعًا معدنيًا.

الجزء الثاني باستخدام نهج دقيق للمبادئ الأولى ، توقعنا المغناطيسية الحديدية لأشباه الموصلات في للبيروفسكايت العكسي Ca3BiP مع إدماج ذرة Mn بواسطة تقريب GGA وmBJ مع الأخذ في الاعتبار إمكانات هوبارد لمعالجة الارتباط القوي للإلكترونات ثلاثية الأبعاد من المنغنيز و اقتران مدار الدوران الذرات الثقيلة. لقد قدمنا تحليلاً مفصلاً للخصائص الإلكترونية والمغناطيسية لهذا المركب، من حيث كثافة الحالات ، وبنية النطاق ، والعزم المغناطيسية ، واختلافات الطاقة الإجمالية. تظهر نتائجنا أن فرق الطاقة الإجمالي بين تكوينات الدوران المدروسة ، Emag ، يزداد مع الزيادة في قيمة هوبارد ، والتي تؤكد ترتيب FM في البيروفسكايت العكسي مع إدماج ذرةMn . تنتج الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية من التفاعل بين قسم التبادل وانقسام المجال البلوري وتهجين حالات d-Mn مع الحالات الأنيونية p. تم حساب درجة حرارة كوري في هذا النظام. أداة التوصيل الإلكترونية عن الحالات المغناطيسية التي تحدث في المادة المخدرة. يحافظ على ضمان DOS في حالات الشوائب تعدل منطقة (فجوة النطاق) وتحفز المغناطيسية وجدنا ارتفاع TC في درجة الحرارة المحيطة. يمكن أن ينتج عن TC كبير في المرحلة المغناطيسية الحديدية تفاعل قوي على مسافة طويلة. تتنبأ النتائج المحسوبة بدرجة عالية من TC لمضاد البيروفسكايت العكسي مع إدماج ذرة Mn ، والذي قد يكون مادة مثالية للتطبيقات تطبيقات من النوع الإلكتروني الدوراني. ---------------------------------------------- Résumé (Français) : Première partie Nous étudions toutes les possibilités des lacunes pouvant induire le magnétisme dans l'anti-pérovskite Ca3BiP en utilisant un calcul d'onde plane linéarisée augmentée à potentiel total dans l'approximation de gradient généralisé (PBE-GGA) et une version modifiée proposée par Becke et Johnson (TB- mBJ) pour le potentiel de corrélation d'échange. Les effets du couplage spin-orbite (SOC) sont également considérés dans cette étude. Nous avons examiné l'effet de toutes les lacunes cationiques et / ou anioniques sur la structure magnétique de ce système. Pour le composé Ca3BiP non magnétique, les structures de bande calculées et les densités d'états montrent un caractère semi-métallique et semi-conducteur obtenu par approximations PBE-GGA et TB-mBJ respectivement. Sans interaction spin-orbite, nous constatons que les systèmes relaxés Ca3-xBiP et Ca3-xBiP1-x ont des moments magnétiques de 2,44701 μB et 3,96894 μB respectivement. Les résultats des deux approches montrent que les lacunes de calcium et de phosphore sont responsables du magnétisme dans l'anti-pérovskite Ca3BiP en raison de la polarisation de spin qui provient principalement des états de valence des atomes les plus proches entourant ces lacunes. Dans le cas des autres lacunes étudiées, le magnétisme n'a pas été induit et tous les matériaux adoptent un caractère métallique.

Deuxième partie

En utilisant une approche précise de premiers principes, nous avons prédit le ferromagnétisme semi-conducteur dans l’anti-pérovskite Ca3BiP dopée au Mn par les approximations GGA et mBJ en tenant compte du potentiel d’Hubbard pour traiter la forte corrélation des électrons 3d du manganèse et du couplage spin-orbit pour les atomes lourds. Nous avons donné une analyse détaillée des propriétés électroniques et magnétiques de ce composé désordonné, en termes de densité d'états, structure de bandes, de moments magnétiques et de différences d'énergie totale. Nos résultats montrent que la différence d'énergie totale entre les configurations de spin considérées, Emag, augmente avec l’augmentation du paramètre Hubbard, ce qui confirme l’ordre FM dans notre anti-pérovskite dopée au Mn. Les propriétés électroniques et magnétiques résultent de l'interaction entre la division d'échange, la division du champ cristallin et l'hybridation des états d-Mn avec les états p anioniques. La température de Curie TC a été calculée dans ce système. Le couplage électronique est responsable des états magnétiques induits dans le matériau dopé. L'analyse DOS garantit que les états d'impureté d modifient la région de Fermi (bande interdite) et induisent le magnétisme. Nous avons trouvé un TC élevée à la température ambiant. Une TC importante en phase ferromagnétique peut se traduire par une interaction forte à longue distance. Les résultats calculés prédisent une TC élevé de notre anti-pérovskite dopée au Mn, qui peut être un matériau idéal pour les applications spintroniques. ---------------------------------------------- Abstract (Anglais) : First part We study all possibilities of vacancy that can induce the magnetism in Ca3BiP anti-perovskite using a full-potential linearized-augmented plane-wave calculation within the generalized gradient approximation (PBE-GGA) and a modified version proposed by Becke and Johnson (TB-mBJ) for the exchange-correlation potential. The effects of spin-orbit coupling (SOC) are also considered in this study. We have examined the effect of all cation and/ or anion vacancies on the magnetic structure in this system. For Ca3BiP bulk non-magnetic, the calculated band structures and densities of states show a semi-metallic and semi-conductor character obtained by PBE-GGA and TB-mBJ approximations respectively. Without spin-orbit interactions, we find that Ca3-xBiP and Ca3-xBiP1-x relaxed systems have magnetic moments of 2.44701 μB and 3.96894 μB respectively. Both approaches results show that the calcium and phosphorus vacancies are responsible for the magnetism in anti-perovskite Ca3BiP due to the spin-polarization that comes mainly from the valence states of the nearest atoms surrounding these vacancies. In the case of the other studied vacancies, the magnetism was not induced and all materials adopt a metallic character.

Second part Using a precise first-principles approach, we predicted semiconductor ferromagnetism in the Mn-doped anti-perovskite Ca3BiP by GGA and mBJ approximations taking into account the Hubbard potential to treat the strong correlation of 3d electrons of the manganese and spin-orbit coupling for heavy atoms. We have given a detailed analysis of the electronic and magnetic properties of this disordered compound, in terms of density of states, band structure, magnetic moments and total energy differences. Our results show that the total energy difference between the considered spin configurations, Emag, increases with the increase in the Hubbard parameter, which confirms the FM order in our Mn-doped anti-perovskite. The electronic and magnetic properties result from the interaction between the exchange division, the division of the crystal field and the hybridization of the d-Mn states with the p anionic states. The Curie TC temperature was calculated in this system. Electronic coupling is responsible for the magnetic states induced in the doped material. DOS analysis ensures that d impurity states modify the Fermi region (band gap) and induce magnetism. We found an elevated TC at room temperature. A significant TC in the ferromagnetic phase can result in a strong interaction at long distance. The calculated results predict a high TC of our Mn-doped anti-perovskite, which may be an ideal material for spintronic applications.