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https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/17048
Tipo de Documento: | Tese |
Título: | Cálculos das propriedades magnéticas, eletrônicas e ópticas da ferrita multiferróica hexagonal LuFeO3 e sua avaliação como material com potencial fotoferroico |
Autor(es): | Melo, Ailson Tavares de |
Data do documento: | 17-Ago-2022 |
Orientador: | Lima, Adilmo Francisco de |
Resumo: | O composto LuFeO3 de estrutura cristalina hexagonal (grupo espacial P63cm) abreviado por h-LFO é um material magnetoelétrico e fotoferróico de grande interesse para ciência e novas tecnologias. Apesar dos vários estudos teóricos e experimentais realizados até o momento sobre as propriedades desse composto, sua estrutura magnética do estado fundamental, energia de band gap e espectro de absorção óptica têm conclusões divergentes na literatura. Além disso, estudos experimentais recentes demonstraram que a eficiência de conversão de luz solar em eletricidade do h-LFO é muito menor do que a do composto hexagonal LuMnO3 de mesmo grupo espacial (abreviado por h-LMO) que possui propriedades ópticas (absorção óptica no espectro visível, magnitude e natureza do band gap, etc) e ferroelétricas semelhantes. Com o objetivo de contribuir para um melhor entendimento das propriedades do h-LFO e h-LMO, neste trabalho de tese foi realizado uma investigação sistemática das propriedades fundamentais desses compostos. Para esse estudo foram realizados cálculos baseados em spin density functional theory implementada no código computacional Elk. Os efeitos de troca e correlação eletrônica foram tratados usando a aproximação denominada de local spin density approximation (LSDA) incluindo a correção efetiva de Hubbard (ou Ueff) (abreviado por LSDA + Ueff). Para o h-LFO, os resultados dos cálculos com Ueff = 4,0 eV se correlacionam melhor com os fatos experimentais. As principais conclusões são descritas a seguir. A configuração magnética do estado fundamental do h-LFO é do tipo Γ1 + Γ2 que é caracterizada por um ferromagnetismo fraco ao longo do eixo c e de magnitude igual 0,07 μB/Fe-atom. O valor da energia de band gap indireto é de 1,03 eV e da energia de band gap direto é de 1,06 eV. Essa energia de band gap é devido às transições eletrônicas do topo da banda de valência que é caracterizada por estados 2p dos oxigênios para o fundo da banda de condução que, por sua, é caracterizada por estados 3d do Fe. A transferência de energia na faixa de 1,1 a 2,0 eV ocorre predominantemente dentro dos planos basais da estrutura local FeO5 bipiramidal. Esse fato explica a maior absorção da luz polarizada perpendicularmente ao eixo hexagonal c em relação à direção paralela a esta que foram observados nos espectros calculados e experimentais. As comparações dos valores médios dos autovalores do tensor massa efetiva dos portadores de carga do h-LFO e do h-LMO calculados em certos pontos de alta simetria da zona de Brillouin, bem como os valores das energias de ligação dos éxcitons nesses compostos permitiram explicar os resultados experimentais que demonstram que a fotoconversão no h-LMO é maior que no h-LFO. Os cálculos mostraram que os valores das massas efetivas dos portadores de carga no h-LFO são maiores do que àquelas no h-LMO. Além disso, os valores das energias de ligação dos pares elétrons-buracos fotogerados no h-LFO também são maiores no h-LFO do que no h-LMO. Esses dois fatos, portanto, levam a uma menor mobilidade dos portadores de carga no material contribuído de forma significativa para a baixa eficiência de fotoconversão no h-LFO em relação ao h-LMO. Outra conclusão importante obtida é que se observa uma alta anisotropia da fotocorrente eletrônica em ambos os compostos devido ao fato de que os valores das massas efetivas dos elétrons são muito maiores ao longo da direção do eixo c cristalino do que àquelas ao longo de qualquer direção dentro do plano ab cristalino. |
Abstract: | The compound LuFeO3 with hexagonal crystal structure (space group P63cm) abbreviated by h-LFO is a magnetoelectric and photoferroic material of great interest to science and new technologies. Despite the many theoretical and experimental studies carried out to date on the properties of this compound, its ground state magnetic structure, band gap energy and optical absorption spectrum are subjects of debate in the literature. Furthermore, recent experimental studies have shown that the efficiency of converting sunlight into electricity of h-LFO is much lower than that of the hexagonal compound LuMnO3 of the same space group (abbreviated by h-LMO) which has optical properties (optical absorption in the visible spectrum, magnitude and nature of the band gap, etc.) and similar ferroelectric properties. In order to contribute to a better understanding of the properties of h-LFO and h-LMO compounds, in this thesis work a systematic investigation of their fundamental properties was carried out. For this study, calculations were performed based on the spin density functional theory implemented in the Elk computational code. The exchange and correlation electronic effects were treated using the so-called local spin density approximation (LSDA) including the effective Hubbard (or Ueff) correction (abbreviated by LSDA + Ueff). For h-LFO, results of calculations with Ueff = 4.0 eV correlated better with experimental facts. The main conclusions are described below. The ground state magnetic configuration is found to be Γ1 + Γ2, which is characterized by weak ferromagnetism along the c-axis (0.07 mB/Fe-atom). The value of the indirect band gap energy is 1.03 eV and the direct band gap energy is 1.06 eV. This band gap energy is due to electronic transitions from the top of the valence band which is characterized by 2p states of the oxygens atoms to the bottom of the conduction band which, in turn, is characterized by 3d states of Fe atoms. The energy transfer in the range between 1.1 and 2.0 eV occurs predominantly within the basal planes of the FeO5 bipyramidal local structure. This fact explains the high absorption of light polarized perpendicularly to the hexagonal c axis in relation to the directions parallel to it that were observed in thin both calculated and experimental spectra. Comparisons of the mean values of the effective mass tensor of the h-LFO and h-LMO calculated at certain points of high symmetry in the Brillouin zone, as well as the values of exciton binding energies in these compounds, allowed us to explain the experimental results that demonstrate that the photoconversion in the h-LMO is greater than in the h-LFO. The calculations showed that the values of the effective masses of the charge carriers in h-LFO are higher than those in h-LMO. In addition, the values of binding energies of photogenerated electronhole pairs in h-LFO are also higher in h-LFO than in h-LMO. These two facts, therefore, lead to a lower mobility of charge carriers in the material, contributing significantly to the low photoconversion efficiency in h-LFO compared to h-LMO. Another important conclusion obtained is that there is a high anisotropy of the electron photocurrent in both compounds due to the fact that the values of the effective electron masses are much larger along the crystalline c axis direction than those along any direction within of the crystalline ab plane. |
Palavras-chave: | Multiferróicos Fotoferróicos LuFeO3 LuMnO3 Spin DFT Multiferroics Photoferroics |
área CNPQ: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA |
Agência de fomento: | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES |
Idioma: | por |
Sigla da Instituição: | Universidade Federal de Sergipe |
Programa de Pós-graduação: | Pós-Graduação em Física |
Citação: | MELO, Ailson Tavares de. Cálculos das propriedades magnéticas, eletrônicas e ópticas da ferrita multiferróica hexagonal LuFeO3 e sua avaliação como material com potencial fotoferroico. 2022. 92 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2022. |
URI: | http://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/17048 |
Aparece nas coleções: | Doutorado em Física |
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