Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: IV Международной научно-практической конференции «Физико-математические науки и информационные технологии: проблемы и тенденции развития» (Россия, г. Новосибирск, 23 июля 2012 г.)

Наука: Физика

Секция: Физика конденсированного состояния

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Сержантова М.В., Кузубов А.А., Михалев Ю.Г. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАКАНСИЙ НА МАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ В МОНОСЛОЕ ГЕКСАГОНАЛЬНОГО НИТРИДА БОРА // Физико-математические науки и информационные технологии: проблемы и тенденции развития: сб. ст. по матер. IV междунар. науч.-практ. конф. – Новосибирск: СибАК, 2012.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов
Статья опубликована в рамках:
 
 
Выходные данные сборника:


 


Теоретическое исследование влияния вакансий на магнитное упорядочение в монослое гексагонального нитрида бора


 


 


Сержантова Мария Викторовна


ассистент СибГАУ, г. Красноярск


Е-mail: sunrise.86@mail.ru


Кузубов Александр Александрович


канд. физ. - мат. наук, доцент СФУ, г. Красноярск


Е-mailalex_xx@rambler.ru


Михалев Юрий Глебович


д-р хим. наук, профессор СФУ, г. Красноярск


Е-mailalex99@iph.krasn.ru


 


Монослой гексагонального нитрида бора с вакансиями — является примером возникновения намагниченности в плоских структурах [2-4], в котором спонтанная намагниченность в отсутствии дефектов не существует. В работе [4], как отмечалось ранее, получили спонтанную намагниченность в присутствии примесей замещения (CB, CN) или вакансий (VB, VN) в структуре h-BN. Спин-поляризованные расчеты для CB- и CN-дефектов показывают намагниченность монослоя h-BN, которая составляет 1,0 μB на один дефект. При вакансионных дефектах VB и VN в системе наблюдается спиновая поляризация, которая приводит к появлению магнитных моментов с величинами 3,0 и 1,0 μB, соответственно. Это объясняется тем, что при удалении атома азота из монослоя h-BN, структура имеет только один неспаренный электрон, а при удалении атома бора в системе появляется три неспаренных электрона.


Таким образом, появление одиночной вакансии может приводить к возникновению локальных магнитных моментов. Однако до сих пор остается открытым вопрос о наличии магнитного упорядочения в случае высокой концентрации вакансий. Поэтому проводилось исследование магнитных свойств вакансий в монослое h-BN. В частности, исследовалось влияние расстояния между вакансиями на переход ферромагнетик-антиферромагнетик.


Объекты и методы исследования


Расчеты проводились в рамках формализма функционала плотности (DFT) [5] с градиентными поправками (PBE) с использованием пакета VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) [6; 7; 9]. В ходе вычислений применялся псевдопотенциал Вандербильта (Vanderbilt ultrasoft pseudopotential) [10]. Программа, в которой выполнялись расчеты, работает с использованием периодических условий, вследствие этого, для моделирования монослоя, по нормали к его плоскости был задан вакуумный промежуток (15 Å). Значение вакуумного промежутка подбиралось исходя из предположения, что на данном расстоянии слои h-BN, находящиеся в соседних суперячейках, не будут оказывать влияния друг на друга. Обратное пространство в первой зоне Брюллюэна [1] автоматически разбивалось на сетку по схеме Монхорста-Пака [8], количество k-точек вдоль каждого из направлений составляло 2 х 2 х 1. При расчетах плотности состояния  количество k-точек составляло 6 х 6 х 1. Все расчеты в работе проводились с максимальным значением энергии плоских волн 348.1 eV. При оптимизации геометрии минимальное значение сил в работе составляло 0.01 eV / atom.


На первом этапе рассчитывался монослой h-BN без вакансий. В данном случае моделировалась гексагональная элементарная ячейка, содержащая два атома. Далее для монослоя h-BN рассматривалось три вида суперячеек с вакансиями: содержащих 6 x 6 x 1 (68 атомов), 8 x 8 x 1 (124 атома) и 10 x 10 x 1 (196 атомов) элементарных ячеек. Каждая смоделированная суперячейка содержала четыре вакансионных дефекта. Подобные суперячейки были выбраны, чтобы выполнить условие равномерного удаления вакансий друг от друга. Таким образом, моделировались структуры с однородным распределением вакансий и различными концентрациями.


Результаты и обсуждение


Исследовалось ферромагнитное, антиферромагнитное и диамагнитное состояния. Ферромагнитное состояние было получено автоматически при использовании спин-поляризованного расчета в программе VASP, которое предполагает начальное заселение системы электронами с одинаково направленной проекцией спина. Антиферромагнитное состояние в исследуемых соединениях задавалось посредством чередования магнитных моментов на атомах, окружающих вакансию. Для сравнения был проведен не спин-поляризованный расчет (диамагнитное состояние вещества), который не учитывает магнитное взаимодействие. Расчеты показали, что диамагнитное состояние является энергетически невыгодным (таблица 1).


 


Таблица 1.


Магнитные свойства монослоя h-BN с вакансиями бора и азота


 



Соединение



Концентрация вакансий, %



Расстояние между вакансиями (r), Å



M, µB



ΔEF-AF, эВ



ΔEнемаг-маг, эВ



Монослой h-BN с вакансиями бора



5,56



7,5



1,7



0,3378



0,1394



3,13



10,0



2,2



-0,0670



0,9843



2,00



12,5



2,3



-0,0323



1,1834



Монослой h-BN с вакансиями азота



5,56



7,5



0,9



-0,0079



0,2174



3,13



10,0



0,9



0,0080



0,2570



2,00



12,5



0,9



0,0007



0,2882


 


Для монослоев h-BN магнитный момент в системе появляется при вакансиях как бора, так и азота. В обоих случаях атомы, окружающие вакансию, равноудалены друг от друга, димеризация не наблюдается. Спиновая плотность равномерно распределена на атомах, окружающих вакансию, при этом проекции спинов имеют одинаковое направление (рисунок 1).


В случае вакансий бора по мере увеличения расстояния между вакансиями наблюдается переход от антиферромагнитного к ферромагнитному упорядочению, а для вакансий азота характерна обратная ситуация, т.е. переход от ферромагнитного к антиферромагнитному состоянию (таблица 1).


 


h-BN_def-N_6-03-12_v1


Рисунок 1. Локализация магнитных моментов для антиферромагнитного состояния монослоя h-BN с вакансиями азота. Черным цветом обозначены атомы азота, серым — бора; стрелками указано направление проекции магнитного момента


 


Таким образом, в ходе проведенных теоретических исследований было установлено, что присутствие вакансий в монослое h-BN приводит к появлению магнитного момента. Показано, что при высоких концентрациях вакансий будут возникать магнитноупорядоченные состояния. При увеличении расстояния между вакансиями возможен переход от антиферромагнитного к ферромагнитному состоянию и наоборот, в зависимости от типа вакансий. Подобное явление дает новые возможности использования вакансий монослое h-BN для внедрения и управления магнитным упорядочением.


Анализ данных, полученных в ходе спин-поляризованных расчетов, показал, что в монослое гексагонального нитрида бора с вакансиями бора или азота возможно магнитное упорядочение. Изменение расстояние между вакансиями вызывает переход ферромагнетик-антиферромагнетик.


 


Авторы выражают благодарность Институту Компьютерного моделирования  СО РАН г. Красноярск, Межведомственному Суперкомпьютерному центру РАН г. Москва, а также Комплексу высокопроизводительных вычислений ИКИТ СФУ г. Красноярск за предоставление возможности использования вычислительных кластеров, на которых и были произведены все расчеты.


 


Список литературы:


1.Киттель Ч. Введение в физику твердого тела: учеб. пособие. М.: Наука, 1978. — 791 с.


2.Кузубов А.А., Сержантова М.В. и др. Теоретическое исследование вакансий и адатомов в белом графене // Письма в ЖЭТФ. — 2011. — 93 (6), 368.


3.Сержантова М.В., Кузубов А.А. и др. Теоретическое исследование влияния вакансий на электронную структуру монослоя h-BN // ЖЭТФ. — 2011. — 139 (4), 764.


4.Azevedo S., Kaschny J.R. and et.al. Electronic structure of defects in a boron nitride monolayer // Eur. Phys. J. B. — 2009. — 67, 507—512.


5.Kohn W. and Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Phys. Rev. B. — 1965. — 140, A1133.


6.Kresse G. and Hafner J., et al. Ab initio molecular dynamics for liquid metals // Phys. Rev. B. — 1993. — 47, 558.


7.Kresse G. and Hafner J., et al., Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium // Phys. Rev. — 1994. — B 49, 14251.


8.Monkhorst H.J. and Pack J.D. On Special Points for Brillouin Zone Integrations // Phys. Rev. B. — 1976. — 13, 5188.


9.Perdew J.P., Chevary J.A., S. ., et al. Erratum: Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation // Phys. Rev. B. — 1993. — 48, 4978.


10.Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism // Phys. Rev. B. — 1990. — 41, 7892.

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий