Гулай А.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Интеллектуальные и мехатронные системы»
г. Минск
Gulay A.V., PhD, associate Professor, head of the Department “Intelligent and mechatronic systems”
Minsk
Дубовик А.В., старший преподаватель кафедры «Интеллектуальные и мехатронные системы», аспирант
г. Минск
Dubovik A.V., senior lectures of the Department “Intelligent and mechatronic systems” and PhD student
Minsk
Выполнено моделирование из первых принципов электронных свойств соединений редкоземельных элементов BaY2O4 , BaGd2O4 , BaLu2O4 как прекурсоров высокотемпературных сверхпроводников. В качестве среды моделирования использован программный пакет VASP, в частности метод присоединенных плоских волн (PAW-метод), который позволяет получить достаточно точные результаты расчета электронной плотности и зонной структуры. Из анализа полученной зонной энергетической структуры следует, что исследуемые оксиды РЗЭ имеют ширину запрещенной зоны Eg = 3,29–3,84 эВ, характерную для диэлектрических материалов. Для исследуемых соединений на основе указанных редкоземельных элементов, выбранных из иттриевой (Y, La, Gd–Lu) и цериевой (Ce–Eu) группы, характерно повышение энергии Ферми и снижение ширины запрещенной зоны по мере увеличения атомного номера (Y: 39, Gd: 64, Lu: 71) элемента в периодической таблице. Предложен способ моделирования квантовых слоев изучаемых материалов при имитации ограничения кристаллической структуры по одной из координатных осей. Данное представление приближает модель кристаллической решетки оксидов РЗЭ к ситуации анализа квантового слоя, толщина которого равна размеру кристаллической ячейки вдоль указанной оси. Разрыв атомных связей в кристалле имитируется путем увеличения расстояния между атомными слоями по этой оси до значений, при которых стабилизируется величина свободной энергии. В квантовом слое оксида редкоземельного элемента (при его толщине близкой к 1 нм) формируется более широкая область значений энергии, в которой распределены электроны, чем это наблюдается в континуальном варианте, причем расширение области распределения электронов распространяется на энергетические уровни запрещенной зоны. Это объясняется тем, что геометрическая дискретизация наноразмерных структур обусловливает дискретность квантоворазмерного энергетического спектра.
Modeling of the first principles of the electronic properties of complex oxides of rare earth elements (BaY2O4, BaGd2O4, BaLu2O4) as precursors of high-temperature superconductors has been performed. The VASP software package was used as a modeling environment, in particular the method of coupled plane waves (PAW method), which allows us to obtain fairly accurate results for calculating the electron density and band structure. From the analysis of the obtained band energy structure, it follows that the studied REE oxides have a band gap width Eg = 3.29–3.84 eV, which is characteristic for dielectric materials. The studied compounds based on these rare earth elements selected from the yttrium (Y, La, Gd–Lu) and cerium (Ce–Eu) groups are characterized by an increase in Fermi energy and a decrease in the band gap as the atomic number (39, 64, 71) of the element in the periodic table increases. A method for modeling the quantum layers of the studied materials by simulating the restriction of the crystal structure along one of the coordinate axes is proposed. This representation approximates the model of the crystal lattice of REE oxides to the situation of analyzing a quantum layer whose thickness is equal to the size of the crystal cell along the specified axis. The rupture of atomic bonds in a crystal is simulated by increasing the distance between atomic layers along this axis to values at which the value of free energy is stabilized. In the quantum layer of rare earth element oxide (with its thickness close to 1 nm), a wider range of energy values is formed in which electrons are distributed than is observed in the continuous version, and the expansion of the electron distribution area extends to the energy levels of the band gap. This is explained by the fact that the geometric discretization of nanoscale structures determines the discreteness of the quantum-dimensional energy spectrum.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.