Bazı ABO3 tipi perovskite yapıdaki oksit kristallerin yapısal, mekanik, elektronik ve manyetik özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi
The investigation of the structural, mechanical, electronic and magnetic properties of some oxide crystals in ABO3 type perovskite structure within the density functional theory
Yazar: AYTAÇ ERKİŞİ
Danışman: DOÇ. DR. ERDEM KAMİL YILDIRIM
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Perovskitler = Perovskite

Özet:
Kübik perovskite yapıdaki manyetik geçiş metal oksitlerinden PbMO3 (M=Fe, Co ve Ni) kompozit yapılarının yapısal, manyetik ve elektronik özellikleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi altında düzlem dalga pseudo potansiyel metodu ile değiş tokuş-korelasyon fonksiyoneline Yerel Spin Yoğunluk Yaklaşımı (LSDA) kullanılarak yapılmıştır. Aynı zamanda hesaplamalara Coulomb etkileşimi de dahil edilmiştir (LSDA+U). Sistemler ferromanyetik (FM) ve G-tipi antiferromanyetik (G-AFM) olarak düşünülmüştür. Çalışılan tüm sistemlerin enerji değerlerine bakıldığında ferromanyetik yapıların G-tipi antiferromanyetik ve manyetik olmayan yapılara oranla daha kararlı olduğu gözlenmiştir.  Spin polarize edilerek hesaplanan elektronik band yapıları göstermiştir ki, tüm yapılar, Hubbard-U etkileşimi (Uetkin=0) olmaksızın ferromanyetik fazda incelendiğinde metalik davranış göstermektedir. Fakat, Coulomb etkileşimi dahil edildiğinde (Uetkin=7 eV) PbFeO3 ve PbNiO3 bileşiklerinde yarı metalik davranışın bir sonucu olarak yukarı spin durumlarında band aralığı gözlenmiştir. PbCoO3 bileşiğinde ise LSDA+U metodu uygulanmasına rağmen yine metalik davranış gözlenmiştir. Tüm yapıların bağlanma özelliklerinin geçiş metal atomlarının d durumları ile O-p durumları arasında meydana gelen hibritleşme olduğu sonucuna varılmıştır. PbFeO3 bileşiği içerisindeki Fe atomunun kısmi manyetik moment değerinin, Hubbard-U etkileşimi ile arttığı görülmüştür. Ayrıca yarı metalik PbFeO3 ve PbNiO3 bileşiklerinin toplam manyetik momentlerinin tam değerlere çok yakın olduğu görülmektedir. 

Ferromanyetik tetragonal perovskit yapıdaki manyetik geçiş metal oksitlerinden PbMNbO3 (M=Fe, Co ve Ni) kompozit yapılarının yapısal, manyetik ve elektronik özellikleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi altında düzlem dalga pseudo potansiyel metodu ile değiş tokuş-korelasyon fonksiyoneline Yerel Spin Yoğunluk Yaklaşımı (LSDA) uygulanarak yapılmıştır. Aynı zamanda hesaplamalara Coulomb etkileşimi de dahil edilmiştir (LSDA+U). Ayrıca söz konusu bileşiklerde manyetik M (M=Fe, Co ve Ni) atomlarının atomik konumlarının yeri [001] doğrultusunda küçük miktarlarda değiştirilerek yapıların yeni durumlarındaki enerji değerlerine bakılmıştır. Böylece, multiferroik olarak bilinen bu yapıların ferroelektrik özellikleri üzerine vurgu yapıldı. Ayrıca PbMNbO3 (M=Fe, Co ve Ni) kompozit yapılarının, spin polarize edilerek hesaplanan elektronik bant yapıları incelendiğinde, Hubbard-U etkileşimi (Uetkin=0) yokken ferromanyetik fazda metalik davranış gösterdikleri görülmüştür. Bunun yanında aynı bileşiklere Uetkin=7 eV olacak şekilde bir Hubbard potansiyeli uygulandığında ise PbNiNbO3 ve PbCoNbO3 bileşiklerinde metalik davranış gözlenmesine karşın PbFeNbO3 bileşiğinde yarı metalik davranışın bir sonucu olarak aşağı spin durumlarında bir bant aralığı gözlenmiştir. Bu yapıların bu tür davranışlar sergilemesinin nedeni geçiş metal atomlarının d durumları ile oksijen atomlarının p durumları arasında meydana gelen hibritleşmedir. 

ABO3 tipi perovskit oksitlerden LaMO3 (M=Ga, In ve Tl) bileşikleri, Genelleştirilmiş Gradient Yaklaşımı (GGA) kullanılarak Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) altında VASP (Vienna Ab Initio Simulation Package) paket programı [106-108] yardımı ile kübik (Pm-3m), tetragonal (P4mm), rombohedral (R3) ve ortorombik (Pbnm) fazlarda incelenerek hangi fazda kararlı oldukları tespit edildikten sonra faz geçiş basınçları hesaplanmıştır. Daha sonra kararlı  oldukları ortorombik (Pbnm) fazda yapısal, mekanik ve elektronik özellikleri incelenmiştir. LaTlO3 bileşiği rombohedral (R3) fazda optimize edilemediğinden söz konusu bileşik için sadece üç fazda çalışılmıştır. Söz konusu bileşikler için yasak enerji aralıkları (Eg) sırası ile yaklaşık olarak 3.321 eV, 2.697 eV ve 1.098 eV olarak bulunmuş olup, enerji bant grafikleri ve toplam durum yoğunlukları yüksek simetri yönleri boyunca çizilmiştir.

Abstract:
The structural, magnetic, and electronic properties of the magnetic transition metal oxides PbMO3 (M=Fe, Co and Ni) in cubic perovskite structure have been calculated. The calculations are based on the density functional theory (DFT) within plane-wave pseudopotential method and local spin density approximation (LSDA) of the exchange-correlation functional. On-site Coulomb interaction is also included in calculations (LSDA+U). The systems are considered in ferromagnetic (FM) and G-type antiferromagnetic (G-AFM) order. Ferromagnetic structures are energetically more favored than G-type antiferromagnetic and than non-magnetic states for all the systems studied. The spin-polarized electronic band structures show that all the structures have metallic property in ferromagnetic order without Hubbard-U interaction (Ueff = 0). However, the inclusion of on-site Coulomb interaction (Ueff = 7 eV) opens a semiconducting gap for majority spin channel of PbFeO3 and of PbNiO3 resulting in a half-metallic character. PbCoO3 system remains metallic with LSDA+U scheme. The bonding features of all structures are largely determined by the hybridizations between O–p and d-states of transition metal atoms. The partial magnetic moment of Fe atom in PbFeO3 is enhanced by inclusion of Hubbard-U interaction. Also, total magnetic moments of half-metallic PbFeO3 and of PbNiO3 compounds are very close to integer values.

The structural, magnetic, and electronic properties of the magnetic transition metal oxides PbMNbO3 (M=Fe, Co and Ni) in ferromagnetic tetragonal perovskite structure have been calculated. The calculations are based on the density functional theory (DFT) within plane-wave pseudopotential method and local spin density approximation (LSDA) of the exchange-correlation functional. On-site Coulomb interaction is also included in calculations (LSDA+U). Besides, the energy changes have been calculated in these compounds by changing the position of M (M = Fe, Co and Ni) atom along [001] direction. Thus, the ferroelectric properties of these structures have been emphasized as multiferroic systems. The spin-polarized electronic band structures of PbMNbO3 (M =Fe, Co, and Ni) systems exhibit metallic property in ferromagnetic phase without Hubbard U interaction (Ueff  = 0 eV). When a Hubbard potential as  Ueff = 7 eV  is applied to the same compounds, a band gap is observed in spin-down states of PbFeNbO3 resulting in half-metallic behavior, although PbNiNbO3 and PbCoNbO3 compounds remain metallic. The main reason of this behavior is the hybridization between d-states of transition metal atoms and p-states of oxygen atoms. 

Among the class of ABO3 type perovskite oxides, LaMO3 (M=Ga, In, and Tl) compounds have been investigated in cubic (Pm-3m), tetragonal (P4mm), rhombohedral (R3), and orthorhombic (Pbnm) phases by using Generalized Gradient Approximation (GGA) in the Density Functional Theory (DFT) as implemented in VASP (Vienna Ab Initio Simulation Package) software [106-108]. After the determination of the stable phase, phase transition pressures have also been calculated. Then, their structural, mechanical, and electronic properties have been studied in stable orthorhombic (Pbnm) phase. LaTlO3 compound has been studied in only three phases, since it cannot be optimized in rhombohedral (R3) phase. The energy gaps (Eg) of these compounds have been found as 3.321 eV, 2.697 eV and 1.098 eV, respectively.  Their electronic band structures and total density of states have been drawn along the high symmetry directions.