Skip to main content
SUPERVISOR
Hadi Akbar zadeh,Seyed Javad Hashemifar
هادی اکبرزاده (استاد راهنما) سید جواد هاشمی فر (استاد مشاور)
 
STUDENT
Seyed Mojtaba Rezaei Sani
سیدمجتبی رضائی ثانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Ab initio study of magnetism, lattice dynamics, and topology of electron charge density of pnictides CaN and CaAs
Conventional magnetism occurs in systems which contain transition metal or rare earth ions with partially filled d or f shells . In practice , all systems which have been studied or used in devices in the past , contain transition metals or rare earth ions . Recent experimental and/or theoretical observations of magnetism in systems with no valance d or f electron challenge our In this project , we employ density functional theory and ultrasoft pseudopotential calculation to study magnetism in binary compounds CaN and CaAs . Regarding the structure of analogous magnetic materials and experimental results of CaAs synthesis , we have considered two cubic structures : rocksalt (RS) and zinc-blende (ZB) , and four hexagonal structures : NiAs , wurtzite (WZ) , anti-NiAs , and NaO . The calculated results show that CaN in cubic , NiAs , and wurtzite structures , and CaAs only in zinc-blende phase have ferromagnetic ground states with a magnetic moment of 1 µ B . Electronic structure analysis of these materials indicates that magnetism originates from anion p states . Existence of flat p bands and consequently high density of states at the Fermi level of magnetic structures give rises to Stoner spin splitting and spontaneous ferromagnetism . Larger exchange interaction in 2p orbital of nitrogen respect to 4p orbtial of arsenic causes that CaN has more structures with ferromagnetic ground state than CaAs . Slight hybridization with calcium d states increase density of states at the Fermi level and enhance ferromagnetism in system . The stability of all systems is studied from both thermodynamical and lattice dynamical point of view . We discuss that although all structures have negative heat of formation , except NaO phase , other structures possess imaginary phonon frequencies indicating dynamical instabilities . To find out the reason of instability , topology of electron charge density is investigated in all structures . According to the obtained result , the tendency of anion atoms to get close together and make covalent bonds is the origin of the observed dynamical instability . Anions in NaO phase have the shortest distance from each other among the all phases and special topology of charge density of this phase provide the strongest covalent bonds between anions in respect to the other phases. Keywords: CaN , CaAs , Ferromagnetism , Half-metal , p orbital magnetism , Stoner criterion , Lattice dynamics , Phonon frequency , Topology of electron charge density.
مغناطش مرسوم، در سیستم‌هایی اتفاق می‌افتد که دارای عناصر واسطه یا نادر خاکی با اوربیتال‌های جزئی پر شده‌ی d یا f باشند. در عمل تمام سیستم‌های مغناطیسی که در گذشته مطالعه شده یا در تجهیزات به کار گرفته شده‌اند، دارای یون‌های فلزات واسطه یا خاکی نادر هستند. مشاهده‌ی مغناطش در سیستم‌هایی که فاقد اوربیتال‌های d یا f هستند و یا مغناطش آن‌ها مربوط به این اوربیتال‌ها نیست، درک سنتی ما از مغناطش را به چالش کشیده‌است. این مواد به دو دسته تقسیم می‌شوند: دسته‌ای که اتم‌های یک بلور کامل حامل ممان مغناطیسی هستند و دسته‌ای که ممان مغاطیسی آن‌ها به نقایص شبکه‌شان نسبت داده می‌شود. از دسته‌ی اول به طور نظری پیش‌بینی شده‌است که ترکیبات گروه‌های I A و II A با گروه‌های IV و V در بعضی از حالت‌های ساختاری نیم‌فلزات فرومغناطیس هستند و می‌توانند کاندیداهایی برای کاربردهای اسپینترونیکی باشند . ما در این مطالعه با بکارگیری محاسبات مبتنی بر نظریه‌ی تابعی چگالی با شبه‌پتانسیل فوق‌نرم و با توجه به ساختار مواد مغناطیسی مشابه و نتایج تجربی سنتز ترکیب CaAs ، مغناطش را در ترکیبات CaN و CaAs در دو ساختار مکعبی نمک سنگی (RS) و بلندروی (ZB) و چهار ساختار شش‌گوش NiAs ، ورتسایت (WZ) ، پادNiAs و NaO بررسی کرد‌ه‌ایم. نتایج به دست آمده حاکی از اینست که CaN در ساختارهای مکعبی، NiAs و ورتسایت و CaAs تنها در ساختار بلندروی حالت پایه‌ی فرومغناطیس با ممان مغناطیسی 1 ? B دارند. تحلیل ساختار الکترونی این مواد نشان می‌دهد که مغناطش ریشه در اوربیتال p آنیون‌ها دارد. وجود نوارهای تخت در نزدیکی سطح فرمی ساختارهای مغناطیسی که نشان‌دهنده‌ی چگالی بالای حالت‌های الکترونی است، باعث برآورده شدن معیار استونر و بروز شکافتگی اسپینی و در نتیجه ایجاد مغناطش خودبه‌خودی می‌گردد. بزرگ‌تر بودن برهم‌کنش تبادلی در اوربیتال 2p اتم نیتروژن نسبت به اوربیتال 4p اتم آرسنیک باعث می‌شود که ساختارهای بیشتری در ترکیب CaN نسبت به CaAs حالت پایه‌ی فرومغناطیس داشته باشند. هیبریدشدگی حالت‌های d القا شده در کلسیم با حالت‌های p آنیون به تشدید این موضوع کمک می‌کند. با توجه به فرضی بودن ساختارهای در نظر گرفته شده به جز ساختار NaO پایداری ترکیبات را از دو دیدگاه ترمودینامیکی و دینامیک شبکه مورد بررسی قرار داده‌ایم. نتایج نشان می‌دهند که تمامی ساختارها از لحاظ ترمودینامیکی پایدار هستند. اما بررسی ارتعاشات شبکه حاکی از اینست که به جز ساختار NaO ، ساختارهای دیگر دارای فرکانس‌های موهومی که نشان‌دهنده‌ی ناپایداری دینامیکی در سیستم است، هستند. برای یافتن علت ناپایداری دینامیکی توپولوژی چگالی بار الکترونی را در ساختار مختلف بررسی کرده‌ایم. مطابق نتایجی که به دست آمده‌است، تمایل آنیون‌ها برای نزدیک‌تر شدن به یکدیگر و تشکیل پیوندهای کووالانسی، علت بروز این ناپایداری‌هاست. آنیون‌ها در ساختار NaO کوتاه‌ترین فاصله از یکدیگر را نسبت به دیگر ساختارها دارند و توپولوژی خاص چگالی بار این ساختار امکان ایجاد قوی‌ترین پیوندهای کوالانسی در میان تمامی ساختارها را فراهم می‌سازد. کلمات کلیدی : فرومغناطیس، نیم‌فلز، مغناطش اوربیتال p ، معیار استونر، دینامیک شبکه، فرکانس فونونی، توپولوژی چگالی بار الکترونی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی