На сегодняшний день сложные оксидные системы вызывают большой интерес исследователей, так как предоставляют широкий спектр возможностей их применения. Привлекательность оксидных систем заключается в возможности кардинально менять их свойства в результате небольших изменений в составе. Одной из актуальных задач является получение эффективных материалов для твердооксидных топливных элементов, аккумуляторов, сенсоров. В связи с этим многочисленные экспериментальные и теоретические исследования посвящены изучению структур перовскитов, а также твердых растворов на их основе. Компьютерное моделирование таких систем позволяет объяснить свойства материалов, а также разработать материалы с заданными свойствами и сократить, таким образом, экспериментальные затраты.
Большое количество работ посвящено изучению галлата и алюмината лантана. Введение ферромагнитных атомов железа в структуру перовскита приводит к появлению новых физических и магнитных свойств получаемых твердых растворов. Экспериментально показано, что допирование железом в случае галлата, в отличие от алюмината, приводит к образованиям кластеров железа и к возникновению различий в магнитных свойствах. Причины этого до конца не установлены. Моделирование магнитных свойств твердых растворов является трудоемкой задачей, и теоретических исследований указанных систем на данный момент нет.
Целью данной работы является моделирование магнитных свойств твердых растворов галлата и алюмината лантана, допированных железом.
Выводы
• Квантовохимические расчеты показали, что наилучшее описание свойств кристаллов LaGaOs, LaAlOs и LaFeOs достигается при использовании псевдопотенциала и базиса Stuttgart и гибридного обменно-корреляционного функционала PBE0 с 9% обмена по Хартри-Фоку
• Показано, что для полного описания 50% раствора Pm-3m с расширенной кубической ячейкой 2x2x2 необходимо произвести квантовохимические расчеты 27 структур
• При фиксированном окружении (т.е. внутри каждого симметрийно независимого класса), как для LaGa0.5Fe0.5Os, так и для LaAl0.5Fe0.5Os энергия линейно уменьшается при увеличении количества троек Fe-O-Fe с суммарной нулевой проекцией спина. Угол наклона прямой зависит от конкретного окружения, т.е. от общего числа троек каждого типа Fe-O-Fe, Fe-O-Ga(Al), Ga-O-Ga (Al-O-Al)
• Показано, что в случае твердого раствора алюмината наблюдается более широкое вероятностное распределение возможных спиновых конфигураций, т.е. большее, чем для галлата, число различных структур вносит ненулевой вклад.
• Показано, что при комнатной температуре для LaGa0.5Fe0.5Os характерна кластеризация атомов железа в структуре раствора (структура с максимальным числом связанных АФМ троек Fe-O-Fe является доминирующей)
• Квантовохимические расчеты показывают уменьшение ширины запрещенной зоны при допировании железом LaGaOs и LaAlOs
• При фиксированной температуре среднее значение проекции полного магнитного момента для твердых растворов галлата и алюмината неодинаково: оно значительно больше в случае алюмината.
Публикации по материалам работы:
Сапова М.Д., Квантовохимическое моделирование твердых растворов на основе галлата и алюмината лантана, дотированных железом, Материалы IX научной конференции молодых ученых "Инновации в химии: достижения и перспективы - 2018", МГУ, Москва, 9-13 апреля 2018.
