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.
-
Ключевые слова:
ферроманганиты, мультиферроики, теория функционала плотности, теория псевдопотенциала, плотность состояний, заселенность атомных орбиталей
-
Опубликовано в разделе:
Mатериалы электроники
-
Библиографическая ссылка:
Баглов А. В., Хорошко Л. С., Силибин М. В., Карпинский Д. В. Электронная структура ферроманганита висмута BiFe0,5Mn0,5O3 // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 1. С. 19–29. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024- 29-1-19-29. – EDN: YTGJJM.
-
Источник финансирования:
Работа 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»)».
Баглов Алексей Викторович
Белорусский государственный университет (Беларусь, 220030, г. Минск, пр-т Независимости, 4); Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (Беларусь, 220013, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 6)
Хорошко Людмила Сергеевна
Белорусский государственный университет (Беларусь, 220030, г. Минск, пр-т Независимости, 4); Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (Беларусь, 220013, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 6)
Силибин Максим Викторович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)
Карпинский Дмитрий Владимирович
Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 19); Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)
- 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.71.060401
- Belik 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: RIMUJD
- Arnold 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.2014.006668
- Spaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nature Mater. 2019. Vol. 18. P. 203-212. DOI: 10.1038/s41563-018-0275-2 EDN: XBFONB
- Catalan 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: MMMGCP
- Fiebig M., Lottermoser T., Meier D., Trassin M. The evolution of multiferroics // Nat. Rev. Mater. 2016. Vol. 1. Art. No. 16046. DOI: 10.1038/natrevmats.2016.46
- Picozzi 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: MNDEWP
- Multiferroic 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: VBBAHR
- Crystal 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: BEGIFP
- Electric 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.103.257601
- Temperature 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: UESKOD
- Khomchenko 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: 10.1063/1.4993152
- Magnetoelectric 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/s41467-021-22587-1
- Belik 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: PPUPKT
- Orbital 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.66.064425
- Crystal 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: GDYEJF
- Structural 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: TBRPEM
- Magnetic 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: LNSBZV
- Ozaki 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.67.155108
- Ozaki 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.69.195113
- Ozaki 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.72.045121
- Perdew 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.77.3865
- Anisimov 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: SLTNHB
- Electron-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: LMSXTL
- First-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