SUPERVISOR
Seyed Javad Hashemifar,Hadi Akbar zadeh
سید جواد هاشمی فر (استاد مشاور) هادی اکبرزاده (استاد راهنما)
STUDENT
Shokoufeh Khosravizadeh
شکوفه خسروی زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384
TITLE
First principle study of Co2FeSi(001) surface and Co2FeSi/GaAs(001) interface and Topological Description Of Bonding and Magnetism In Zinc-Blende XAs(X=V,Cr,Mn,Fe,Co)
In this project, we performed a first principle study of some half metals which are of importance in spintronics. All of the calculations are in density functional theory (DFT) frame work; depending on the requirements of the problem in different arts of the project, we applied one of two computational code, PWscf or WIEN2k. WIEN2kis an all electron-LAPW computational code while calculation i PWscf is based on pseudo potential method and using plane waves as basis set for wave functions. Initially we have performed an overview on DFT. In this part we did especial focus on LDA+U (to improve on site correction) have been applied in some part of this project. The first part of the project is assigned to the study of bulk properties of Co2FeSi alloy and its interface with GaAs(001) substrate. Co2FeSi belongs to heusler alloys for which half metallic character is expected. At first a overview on bulk properties was performed. In thi study it was found that in the case of this alloy, improving the onsite correlation using LDA+U is relevant so that half-metallic character that is lost in GGA, within GGA+U is seen for this alloy. Hence for remaining of computations on different surface and interface properties of the alloy, this correction is applied. Structural properties at (001) surface of the alloy and its interface with GaAs(001) substrate were studied. Relative stability of different terminations were investigated and more stable terminations at surface and interface were determined. The results show that both the standard terminations of the alloy beside Fe rich termination allocate in the stable region of the phase diagram. On the other hand, at interface of the alloy with GaAs, only CoCo/As standard termination is formable, while the modified termination FeFe/As and the FeGa/As complex termination occupy some part of the allowable region of the phase diagram. Comparison between cohesive energy of the bulk compounds, corresponding to the surface (or interface) showed that this quantity could be used as a criteria for relative favor of atoms to be at surface or interface terminations. The surface (or interfacial) effects on magnetic and electronic properties were studied. It was seen that due to changes in electronic structures of surface and interface atoms, half metallic character is not held across surface and interface terminations. In the second part, we studied a group of 3d transition element arsenides, in the met stable phase of zinc blende. These studies were performed from point of view of the topology of the electronic charge density at different volumes (hydrostatic pressures). At first we introduced the applied method for calculation of the topology of the charge density as an scalar field, then this method was applied for studying XAs (X=V, Cr, Mn, Fe, Co) compounds. Topological calculations were performed using CRITIC or TECD programs that use charge densities prepared by WIEN2k and PWscf codes respectively. After determining topology of critical points of charge density in this zin blende structures, we did more detailed investigations on the behavior of topological parameters during volume changes and also varying the atomic number of 3d transition element. As a result of these studies, we found that bulk modulus has near correlation with the value of charge at bond critical points, so that the more charge at bond points, the less compressibility of the bonds and so the higher bulk modulus. On the other hand, near correlation between directionality of the bonds and cohesive energy of under study structures was observed. in addition, by comparison between topology of the charge in two spin channels, it was seen that spin splitting in topological parameters is related to inter-atomic exchange interaction and so have similar behavior to the Curie temperatures of materials. keywords : Density Functional Theory, Spintronics, Topology Of Charge Density.
در این پروژه به مطالعه ابتدا به ساکن نمونه هایی نیم فلزی که در صنعت اسپین ترونیک حائز اهمیت هستند پرداخته ایم. کلیه محاسبات در چارچوب نظریه تابعی چگالی می باشند و بسته به نوع نیاز مسأله در بخش های مختلف پروژه یکی از دو کد محاسباتی PWscf و WIEN2k به کار گرفته شده اند. کد WIEN2k یک کد محاسباتی تمام الکترونی بر پایه روش (L)APW جهت بسط توابع موج می باشد و محاسبات کد PWscf مبتنی بر روش شبه پتانسیل و استفاده از امواج تخت به عنوان توابع پایه انجام می شود. در ابتدا مروری اجمالی بر نظریه تابعی چگالی انجام داده ایم. در این بخش تمرکز ویژه ای بر رهیافت LDA+U (در تصحیح انرژی همبستگی) که در بخشی از این پروژه نیز به کار رفته است، داشته ایم. سپس صنعت اسپین ترونیک به عنوان پشتوانه عملی موضوع پروژه معرفی و بر اهمیت نیم فلزات در این شاخه تأکید شده است. بخش اول پروژه به مطالعه خواص انبوهه و سطح (001) آلیاژ Co 2 FeSi و همچنین مرز مشترک (001) Co 2 FeSi/GaAs اختصاص یافته است. آلیاژ Co 2 FeSi جزء آلیاژهای هویسلر می باشد که در آنها وجود خاصیت نیم فلزی مورد انتظار است. در ابتدا یک مطالعه اجمالی بر خواص انبوهه این آلیاژ انجام شد؛ در این مطالعات معلوم شد تصحیح همبستگی الکترون ها از طریق رهیافت LDA+U در این آلیاژ از اهمیت جدی برخوردار است به گونه ای که خاصیت نیم فلزی که در تقریب GGA در این آلیاژ مشاهده نمی شود، با اعمال تصحیح GGA+U در ساختار الکترونی ماده دیده می شود. از این رو برای ادامه محاسبات بر روی ساختارهای سطح و مرز مشترک نیز از این تصحیح استفاده شد. خواص ساختاری در سطح و مرز آلیاژ مورد مطالعه دقیق قرار گرفت، پایداری نسبی پایانه های مختلف بررسی و ساختارهای پایدار در سطح و مرزمشترک مشخص شدند. نتایج نشان داد هر دو پایانه ایده آل آلیاژ و همچنین پایانه اشباع شده توسط آهن در ناحیه پایداری دیاگرام فاز سطح قرار می گیرند. از سوی دیگر در مرز مشترک آلیاژ با GaAs تنها پایانه ایده آل CoCo از آلیاژ امکان شکل گیری دارد؛ اما و پایانه مصنوعی FeFe و پایانه ترکیبی ناشی از جایگزینی اتم Si با Ga در بخشی از ناحیه مجاز از دیاگرام فاز وجود دارد. مقایسه انرژی همدوسی ترکیبات انبوهه متناظر با اتم های سطحی و مرزی نشان داد انرژی همدوسی می تواند معیاری برای تمایل نسبی اتم ها برای حضور در سطح یا مرزمشترک به کار رود. اثرات سطحی (و مرزی بر خواص مغناطیس و الکترونی مورد مطالعه قرار گرفت و نقش حالت های الکترونی سطحی در اشغال گاف نیم فلزی در اتم های مرزی و سطحی بررسی شد. ملاحظه شد در اثر تغییرات ساختار الکترونی اتم های سطحی و مرزی نسبت به حالت انبوهه، خاصیت نیم فلزی در عبور از هیچ یک از پایانه های سطحی و مرزی حفظ نمی شود. در بخش دوم به مطالعه دسته ای از آرسنایدهای عناصر واسطه d 3 در فاز شبه پایدار زینک بلند پرداخته ایم. این مطالعات از منظر رفتار توپولوژی چگالی بار الکترونی در حجم های مختلف انجام شد. در ابتدا به معرفی روش به کار رفته جهت محاسبه توپولوژی چگالی بار الکترونی به عنوان یک میدان اسکالر سه بعدی پرداختیم، سپس این روش را برای مطالعه ترکیبات XAs(X=V, Cr, Mn, Fe, Co) به کار گرفتیم. محاسبات توپولوژی توسط کد TECD و CRITIC که به ترتیب از چگالی بار الکترونی به دست آمده از PWscf و WIEN2k استفاده می کنند، انجام شد. پس از تعیین توپولوژی کلی چگالی بار در این ساختارهای زینک بلند، به بررسی دقیق تر رفتار کمیت های توپولوژیکی حین تغییر حجم و همچنین تغییر عدد اتمی عنصر d 3 پرداختیم. در نتیجه این مطالعات دریافتیم مدول انبوهه ارتباط نزدیکی با مقدار بار در نقاط پیوندی دارد، به گونه ای که هر چه بار بیشتری در محل پیوندهای بین اتمی وجود داشته باشد، تراکم پذیری پیوندها کاهش یافته و لذا مدول انبوهه افزایش می یابد. از سوی دیگر ارتباط نزدیکی بین جهت مندی پیوندهای اتمی با انرژی همدوسی در ساختارهای مورد مطالعه مشاهده شد. همچنین با مقایسه توپولوژی بار در دو کانال اسپینی مختلف مشاهده شد قطبش اسپینی در کمیت های توپولوژیکی به برهمکنش تبادلی بین اتمی در ماده مربوط می شود و بنابراین نحوه تغییرات آنها در ترکیبات مختلف رفتاری مشابه با دمای کوری مواد دارد. کلید واژه: اسپین ترونیک، نیم فلزات، ساختارهای لایه نازک، توپولوژی چگالی بار الکترونی