1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2024-29-1-19-29YTGJJM544.225.22/.23+544.183.24/.25:538.911+538.615Mатериалы электроникиElectronic structure of bismuth ferromanganite BiFe0.5Mn0.5O3Электронная структура ферроманганита висмута BiFe0,5Mn0,5O3Баглов Алексей ВикторовичБагловАлексей ВикторовичBaglovAleksey V.Aleksey V. BaglovХорошко Людмила СергеевнаХорошкоЛюдмила СергеевнаKhoroshkoLyudmila S.Lyudmila S. KhoroshkoСилибин Максим ВикторовичСилибинМаксим ВикторовичSilibinMaxim V.Maxim V. SilibinКарпинский Дмитрий ВладимировичКарпинскийДмитрий ВладимировичKarpinskyDmitry V.Dmitry V. KarpinskyBelarusian State University (Belarus, 220030, Minsk, Nezavisimosti ave., 4); Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (Belarus, 220013, Minsk, Petrus Brovka st., 6)National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1)Scientific and Practical Center of the National Academy of Sciences of Belarus for Materials Science (Belarus, 220072, Minsk, Petrus Brovka st., 19); National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1)11022026Том. 29 №11929http://ivuz-e.ru/en/issues/..Том 29 №1/elektronnaya_struktura_ferromanganita_vismuta_bife0_5mn0_5o3/http://ivuz-e.ru#

Multiferroics based on multiple oxides of transition metals, particularly ferromanganite BiFe0.5Mn0.5O3, are promising functional materials for use in various electrical devices. However, in research literature there are no information about systematic studies of BiFe0.5Mn0.5O3 solid solution. In this work, the model structure of rhombohedral BiFe0.5Mn0.5O3 was studied using first-principles methods. Theoretical estimations of the effective magnetic moments of the iron and manganese ions, the degree of localization of the 3 d states of these ions and the energy gap for different spin configurations of Fe and Mn ions were performed. The nature of the exchange interactions between the transition metal ions was clarified. It has been established that in the antiferromagnetic ordering, the magnetic moments of the iron and manganese ions are very close and have the values of 4.16 and 4.23 µB, respectively, herein the 3 d states of the Fe ions are localized, while the 3 d states of the Mn ions, on the contrary, are delocalized and asymmetric. The presence of a small resulting magnetic moment of 0.012 µB per unit cell is shown. The nonequivalence of the positions of the Fe and Mn ions leading to the formation of an energy gap of 1.28 and 1.48 eV for spin down and spin up channels respectively has been substantiated. The results obtained for the model structure make it possible to describe qualitatively the electronic structure of orthorhombic BiFe0.5Mn0.5O3 using a fourfold reduced number of ions as compared to its real structure, and significantly broaden the scope of information obtained by experimental methods on the structure and physical properties of BiFeO3-BiMnO3 solid solutions.

Мультиферроики на основе сложных оксидов переходных металлов, в частности ферроманганит висмута BiFe0,5Mn0,5O3, являются перспективными функциональными материалами для использования в различных электротехнических устройствах. Однако в научной литературе отсутствует информация о систематическом исследовании твердого раствора BiFe0,5Mn0,5O3. В работе методами из первых принципов исследована модельная структура ромбоэдрического BiFe0,5Mn0,5O3. Проведены теоретические оценки эффективного магнитного момента, степени локализации 3 d -состояний и ширины энергетической щели для разных спиновых конфигураций ионов железа и марганца. Выявлен характер обменных взаимодействий между ионами переходных металлов. Установлено, что в антиферромагнитном упорядочении магнитные моменты ионов железа и марганца близки и составляют 4,16 и 4,23 µБ соответственно, при этом 3 d -состояния ионов железа локализованы, а 3 d -состояния ионов марганца, наоборот, делокализованы и асимметричны. Показано наличие малого результирующего момента, равного 0,012 µБ, на элементарную ячейку, обусловленного неэквивалентностью позиций ионов железа и марганца, приводящей к формированию энергетической щели шириной 1,28 и 1,48 эВ для каналов со спином вниз и вверх соответственно. Полученные для модельной структуры результаты позволяют качественно описать электронную структуру орторомбического BiFe0,5Mn0,5O3 при четырехкратно редуцированном по сравнению с ним числе ионов и в значительной степени расширяют имеющиеся сведения о структуре и физических свойствах твердых растворов BiFeO3-BiMnO3, полученных экспериментальными методами.<br />

ferromanganitesmultiferroicsdensity functional theorypseudopotential theorystates densityatomic orbitals populationferromanganitesmultiferroicsdensity functional theorypseudopotential theorystates densityatomic orbitals populationРабота выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 21-19-00386) и ГПНИ «Материаловедение, новые материалы и технологии» на 2021-2025 гг. в рамках НИР 4 задания № 2.17 подпрограммы «Наноструктурные материалы, нанотехнологии, нанотехника («Наноструктура»)».The work has been supported by the Russian Science Foundation (project no. 21-19-00386) and the State Research Institute “Materials Science, New Materials and Technologies” for 2021–2025 within the framework of R&D 4 task no. 2.17 of the subprogram “Nanostructural materials, nanotechnologies, nanotechnology (‘Nanostructure’)”. Ederer C., Spaldin N. A. Weak ferromagnetism and magnetoelectric coupling in bismuth ferrite // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71. Iss. 6. Art. No. 060401. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.060401Belik A. A. Polar and nonpolar phases of BiMO3: A review // Journal of Solid State Chemistry. 2012. Vol. 195. P. 32-40. DOI: 10.1016/j.jssc.2012.01.025 EDN: RIMUJDArnold D. C.Composition-driven structural phase transitions in rare-earth-doped BiFeO3 ceramics: A review // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2015. Vol. 62. No. 1. P. 62-82. DOI: 10.1109/TUFFC.2014.006668Spaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nature Mater. 2019. Vol. 18. P. 203-212. DOI: 10.1038/s41563-018-0275-2 EDN: XBFONBCatalan G., Scott J. F. Physics and applications of bismuth ferrite // Adv. Mater. 2009. Vol. 21. Iss. 24. P. 2463-2485. DOI: 10.1002/adma.200802849 EDN: MMMGCPFiebig M., Lottermoser T., Meier D., Trassin M. The evolution of multiferroics // Nat. Rev. Mater. 2016. Vol. 1. Art. No. 16046. DOI: 10.1038/natrevmats.2016.46Picozzi S., Ederer C. First principles studies of multiferroic materials //j. Phys.: Condens. Matter. 2009. Vol. 21. No. 30. Art. ID: 303201. DOI: 10.1088/0953-8984/21/30/303201 EDN: MNDEWPMultiferroic perovskite bismuth ferrite nanostructures: A review on synthesis and applications / S. Kharbanda, N. Dhanda, A.-C. Aidan Sun et al. //j. Magn. Magn. Mater. 2023. Vol. 572. Art. ID: 170569. DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.170569 EDN: VBBAHRCrystal structure and spiral magnetic ordering of BiFeO3 doped with manganese / I. Sosnowska, W. Schäfer, W. Kockelmann et al. // Appl. Phys. A. 2002. Vol. 74 (1). P. s1040-s1042. DOI: 10.1007/s003390201604 EDN: BEGIFPElectric field switching of the magnetic anisotropy of a ferromagnetic layer exchange coupled to the multiferroic compound BiFeO3 / D. Lebeugle, A. Mougin, M. Viret et al. // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103. Iss. 25. Art. ID: 257601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.257601Temperature and composition-induced structural transitions in Bi1-xLa(Pr)xFeO3 ceramics / D. V. Karpinsky, I. O. Troyanchuk, M. Tovar et al. //j. Am. Ceram. Soc. 2014. Vol. 97. Iss. 8. P. 2631-2638. DOI: 10.1111/jace.12978 EDN: UESKODKhomchenko V. A., Ivanov M. S., Karpinsky D. V., Paixão J. A.Composition-driven magnetic and structural phase transitions in Bi1-xPrxFe1-xMnxO3 multiferroics //j. Appl. Phys. 2017. Vol. 122. Iss. 12. Art. No. 124103. DOI: 10.1063/1.4993152Magnetoelectric coupling of domains, domain walls and vortices in a multiferroic with independent magnetic and electric order / M. Giraldo, Q. N. Meier, A. Bortis et al. // Nat.Commun. 2021. Vol. 12. Art. No. 3093. DOI: 10.1038/s41467-021-22587-1Belik A. A. Local distortions in multiferroic BiMnO3 as a function of doping // Sci. Technol. Adv. Mater. 2011. Vol. 12. No. 4. Art. No. 044610. DOI: 10.1088/1468-6996/12/4/044610 EDN: PPUPKTOrbital ordering as the determinant for ferromagnetism in biferroic BiMnO3 / A. Moreira dos Santos, A. K. Cheetham, T. Atou et al. // Phys. Rev. B Condens. Matter Mater. Phys. 2002. Vol. 66. Iss. 6. Art. No. 064425. DOI: 10.1103/PhysRevB.66.064425Crystal and magnetic structure transitions in BiMnO3+δ ceramics driven by cation vacancies and temperature / D. V. Karpinsky, M. V. Silibin, D. V. Zhaludkevich et al. // Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 19. Art. No. 5805. DOI: 10.3390/ma14195805 EDN: GDYEJFStructural and magnetic phase transitions in BiFe1-xMnxO3 solid solution driven by temperature / D. V. Karpinsky, M. V. Silibin, S. I. Latushka et al. // Nanomaterials. 2022. Vol. 12. Iss. 9. Art. No. 1565. DOI: 10.3390/nano12091565 EDN: TBRPEMMagnetic and structural properties of BiFe1-xMnxO3 / M. Azuma, H. Kanda, A. A. Belik et al. // J. Magn. Magn. 2007. Vol. 310. Iss. 2 (2). P. 1177-1179. DOI: 10.1016/j.jmmm.2006.10.287 EDN: LNSBZVOzaki T. Variationally optimized atomic orbitals for large-scale electronic structures // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 67. Iss. 15. Art. No. 155108. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.155108Ozaki T., Kino H. Numerical atomic basis orbitals from H to Kr // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69. Iss. 19. Art. No. 195113. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.195113Ozaki T., Kino H. Efficient projector expansion for the ab initio LCAO method // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 72. Iss. 4. Art. No. 045121. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.045121Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77. Iss. 18. P. 3865-3868. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865Anisimov V. I., Aryasetiawan F., Lichtenstein A. I. First-principles calculations of the electronic structure and spectra of strongly correlated systems: The LDA+ U method // J. Phys.: Condens. Matter. 1997. Vol. 9. No. 4. Art. ID: 767. DOI: 10.1088/0953-8984/9/4/002 EDN: SLTNHBElectron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+ U study / S. L. Dudarev, G. A. Botton, S. Y. Savrasov et al. // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 57. Iss. 3. P. 1505-1509. DOI: 10.1103/PhysRevB.57.1505 EDN: LMSXTLFirst-principles study on the electronic and optical properties of BiFeO3 / H. Wang, Y. Zheng, M.-Q. Cai et al. // Solid State Commun. 2009. Vol. 149. Iss. 15-16. P. 641-644. DOI: 10.1016/j.ssc.2009.01.023 EDN: YBCLUL