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First-principles Study on the Magnetic Properties of Gd doped Bithmuth-Telluride

Gd 도핑된 비스무스 텔루라이드의 자기적 성질에 대한 제일원리 계산 연구

  • Van Quang, Tran (Dept. of Physics, University of Transport and Communications) ;
  • Kim, Miyoung (Dept. of Nano Physics, Sookmyung Women's University)
  • ;
  • 김미영 (숙명여자대학교 나노물리학과)
  • Received : 2016.04.08
  • Accepted : 2016.04.19
  • Published : 2016.04.30

Abstract

Determination of the structural, electronic, and magnetic properties of the magnetically doped bismuth-telluride alloys are drawing lots of interest in the fields of the thermoelectric application as well as the research on magnetic interaction and topological insulator. In this study, we performed the first-principles electronic structure calculations within the density functional theory for the Gd doped bismuth-tellurides in order to study its magnetic properties and magnetic phase stability. All-electron FLAPW (full-potential linearized augmented plane-wave) method is employed and the exchange correlation potentials of electrons are treated within the generalized gradient approximation. In order to describe the localized f-electrons of Gd properly, the Hubbard +U term and the spin-orbit coupling of the valence electrons are included in the second variational way. The results show that while the Gd bulk prefers a ferromagnetic phase, the total energy differences between the ferromagnetic and the antiferromagnetic phases of the Gd doped bismuth-telluride alloys are about ~1meV/Gd, indicating that the stable magnetic phase may be changed sensitively depending on the structural change such as defects or strains.

대표적 열전물질인 비스무스 텔루라이드에 자성원자를 도핑한 합금에 대한 구조 및 전자적 그리고 자기적 성질에 관한 연구는 고효율 열전물질의 개발이라는 목적뿐만 아니라 특이한 자기적 상호작용 규명 및 위상절연체 분야에서도 큰 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 희토류 원자로서 매우 국소화된 f 전자를 갖는 Gd이 Bi을 치환하여 도핑된 비스무스 텔루라이드 합금의 자성 안정성을 밀도범함수(Density Functional Theory)에 입각하여 제일원리적으로 연구하기 위하여 모든 전자(all-electron) FLAPW(full-potential linearized augmented plane-wave) 방법을 이용하여 전자구조 계산을 수행하였다. 전자간 교환-상관 상호작용은 일반기울기 근사법(Generalized Gradient Approximation)을 도입하여 계산하였으며, 국소화된 f 전자를 기술하는 데 필요한 Hubbard+U 보정과 스핀-궤도 각운동량 상호작용은 제2 변분법적 방법을 이용하여 고려하였다. 계산 결과, 강자성 안정성을 보이는 Gd 덩치계와 다르게 이 합금은 강자성과 반강자성의 총에너지 차이가 ~1 meV/Gd 정도의 아주 작은 값으로 얻어져서, 그 자성 안정성은 결함이나 strain 등에 의한 구조변화에 민감하게 의존하여 변할 수 있음을 알 수 있었다. 특히 Gd 스핀자기모멘트는 덩치에서의 값에 비해 감소하였고, Gd에 가장 가까운 Te에 유도 자기모멘트가 형성되는 것으로 미루어 Te를 매개로 한 자성상호작용이 자성 안정성을 결정하는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 예측할 수 있었다.

Keywords

References

  1. H. Ohno, H. Munekata, T. Penney, S. von Molnar, and L. L. Chang, Phys. Rev. Lett. 68, 2664 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2664
  2. Y. D. Park, A. T. Hanbicki, S. C. Erwin, C. S. Hellberg, J. M. Sullivan, J. E. Mattson, T. F. Ambrose, A. Wilson, G. Wilson, G. Spanos, and B. T. Jonker, Science 295, 651 (2002). https://doi.org/10.1126/science.1066348
  3. G. J. Snyder and E. S. Toberer, Nature Mater. 7, 105 (2008). https://doi.org/10.1038/nmat2090
  4. D. Y. Chung, T. Hogan, P. Brazis, M. Rocci-Lane, C. Kannewurf, M. Bastea, C. Uher, and M. G. Kanatzidis, Science 287, 1024 (2000). https://doi.org/10.1126/science.287.5455.1024
  5. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, and B. O'Quinn, Nature 413, 597 (2001). https://doi.org/10.1038/35098012
  6. J. Moore, Nat. Phys. 5, 378 (2009). https://doi.org/10.1038/nphys1294
  7. R. Yu, W. Zhang, H. Zhang, S. Zhang, X. Dai, and Z. Fang, Science 329, 61 (2010). https://doi.org/10.1126/science.1187485
  8. Q. Liu, C. Liu, C. Xu, X. Qi, and S. Zhang, Phys. Rev. Lett. 102, 156603 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.156603
  9. Y. L. Chen, J.-H. Chu, J. G. Analytis, Z. K. Liu, K. Igarashi, H.-H. Kuo, X. L. Qi, S. K. Mo, R. G. Moore, D. H. Lu, M. Hashimoto, T. Sasagawa, S. C. Zhang, I. R. Fisher, Z. Hussain, and Z. X. Shen, Science 329, 659 (2010). https://doi.org/10.1126/science.1189924
  10. J. Zhang, C. Z. Chang, P. Tang, Z. Zhang, X. Feng, K. Li, L. L. Wang, X. Chen, C. X. Liu, W. Duan, K. He, Q. K. Xue, X. C. Ma, and Y. Wang, Science 339, 1582 (2013). https://doi.org/10.1126/science.1230905
  11. Y. S. Hor, P. Roushan, J. Beidenkopf, J. Seo, D. Qu, J. G. Checkelsky, L. A. Wray, D. Hsieh, Y. Xia, S.-Y. Xu, D. Qian, M. Z. Hasan, N. P. Ong, A. Yazdani, and R. J. Cava, Phys. Rev. B 81, 195203 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.195203
  12. H. J. Zhang, X. Zhang, and S. C. Zhang, arXiv:1108.4857v1 (2011).
  13. Y. R. Song, F. Yang, M. Y. Yao, F. Zhu, L. Miao, J. P. Zu, M. X. Wang, H. Li, X. Yai, F. Ji, S. Qiao, Z. Sun, and G. B. Zhang, Appl. Phys. Lett. 100, 242403 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4729056
  14. S. Li, S. E. Harrison, Y. Huo, A. Phshp, H. T. Yuan, B. Zhou, A. J. Kellock, S. S. P. Parkin, Y.-L. Chen, T. Hesjedal, and J. S. Harris, Appl. Phys. Lett. 102, 242412 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4812292
  15. J. Kim, K. Lee, T. Takabatake, H. Kim, M. Kim, and M. Jung, Sci. Rep. 5, 10309 (2015). https://doi.org/10.1038/srep10309
  16. T. V. Quang and M. Kim, J. Appl. Phys. 113, 17A934 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4795743
  17. E. Wimmer, K. Krakauer, M. Wienert, and A. J. Freeman, Phys. Rev B 24, 864 (1981).
  18. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  19. A. B. Schick, A. I. Liechtenstein, and W. E. Pickett, Phys. Rev. B 60, 10763 (1999). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.10763
  20. S. Abdeloushed, N. Baadji, and M. Alouani, Phys. Rev. B 75, 094428 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.094428
  21. D. D. Koelling and B. N. Harmon, J. Phys. C 10, 3107 (1977). https://doi.org/10.1088/0022-3719/10/16/019
  22. M. Kim, A. J. Freeman, and C. B. Geller, Phys. Rev. B 72, 035205 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.035205
  23. A. Adam, Materials Research Bulletin 42, 1986 (2007). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2007.02.027
  24. C. G. Duan, R. F. Sabiryanov, J. Liu, W. N. Mei, P. A. Dowben, and J. R. Hardy, Phys. Rev. Lett. 94, 237201 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.237201
  25. K. Maiti, M. C. Malagoli, E. Magnano, A. Dallmeyer, and C. Carbone, Phys. Rev. Lett. 86, 2846 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.2846
  26. M. Kim and A. J. Freeman, Appl. Phys. Lett. 85, 4983 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1825073