Моделирование из первых принципов электронных свойств соединений РЗЭ как прекурсоров высокотемпературных сверхпроводников

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.

1. Швейкин, Г.П. Электронная структура и физико-химические свойства высокотемпературных сверхпроводников / Г.П. Швейкин, В.А. Губанов, А.А. Фотиев, Г.В. Базуев, А.А. Евдокимов. – М.: Наука,1990. – 240 с.

2. Doi, Y. Crystal structures and magnetic properties of magnetically frustrated systems BaLn2 O4 and Ba3 Ln4 O9 (Ln = lanthanide) / Y. Dоi, W. Nakamori, Y. Hinatsu // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2006. – P. 18.

3. Lundberg, М. Snynthesis and magnetization of BaLn2 O4 (Ln = lanthanide) / М. Lundberg. – Florida: Florida State University Libraries, 2014. – 85 p.

4. Kresse, G. VASP the GUIDE / G. Kresse, M. Marsman, J. Furthmulle. – Vienna: Universität Wien, 2012. – 188 p.

5. Gulay, A.V. Ab-initio simulation of electronic features of hyperfine rare earth oxide films for sensory nanosystems / A.V. Gulay, V.M. Koleshko, et al. // Наука и техника. – 2014. – № 3. – С. 11-17.

6. The Materials Project. BaY2 O4 . [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://5896materialsproject.org/materials/mp-3952/ Дата доступа: 23.01.2024.

7. The Materials Project. BaGd2 O4 . [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://materialsproject.org/materials/mp-17143/ Дата доступа: 17.01.2024.

8. The Materials Project. BaLu2 O4 . [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://materialsproject.org/materials/mp752442/ Дата доступа: 19.01.2024.

9. Sun, J. First-Principles Calculations of Novel Materials / J. Sun. – Florida: Florida State University Libraries, 2015. –166 p.