نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دپارتمان فیزیک، کالج علوم کرال ورما سوبهارتی، دانشگاه سوامی ویوکان و ساب هارتی، دانشگاه MEERUT هند 250004
2 دپارتمان فیزیک دکتر شیوانند ناوتیال Govt P.G. کالج کارنپرایاگ اوتاراکند، هند.
3 گروه فیزیک، کالج دولتی ماهامایا، شرکوت، بیجنور، اوتار پرادش، هند.
4 گروه فیزیک، موسسه علوم کاربردی آمیتی، دانشگاه آمیتی، نویدا-201301، هند
5 گروه فیزیک، دولت سوامی ویوکاناند P.G. کالج لوهاگات اوتاراکند، هند
چکیده
این پژوهش برای بررسی ویژگی های الکترونیکی، مغناطیسی و نوری ترکیبات EuS و Eu₀.5Nd0.5S، از محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) در چارچوب نرم افزار WIEN2K استفاده می کند. در روش محاسباتی، پتانسیل تبادلی-همبستگی بک–جانسون اصلاحشده با تران–بلاها (TB-mBJ) ترکیب شده است تا دقت پیشبینی ساختار الکترونیکی افزایش یابد. پارامترهای ساختاری، از جمله ثابتهای شبکه تعادل و حجم سلول واحد، با برازش دادههای انرژی کل بر حسب حجم به معادله حالت بیرچ- مورناگان (BME) به دست آمدند. ویژگیهای ساختاری محاسبهشده تطابق بسیار قوی با دادههای تجربی موجود نشان میدهند و قابلیت اطمینان رویکرد محاسباتی اتخاذ شده را تأیید میکند. ویژگیهای الکترونیکی از طریق محاسبات ساختار نواری (BS) مورد بررسی قرار گرفت، که با تجزیه و تحلیل عمیق چگالی حالتهای کل و جزئی (T-DOS و P-DOS) تکمیل شد. نتایج ساختار نواری ماهیت فلزی هر دو ترکیب EuS و Eu0.5Nd0.5S را تایید میکند، بهگونهای که وجود حالتهای رسانش در تراز فرمی مشاهده میشود. ویژگیهای نوری بهصورت نظاممند و از طریق توابع کلیدی پاسخ وابسته به بسامد تجزیه و تحلیل شدهاند که شامل بخشهای حقیقی و موهومی تابع دیالکتریک [ε1(ω) و ε2(ω)]، طیف بازتابی [R(ω)]، تابع اتلاف انرژی [L(ω)]، ضریب شکست [n(ω)] و ضریب جذب [α(ω] هستند. این پارامترهای نوری سازوکارهای برهمکنش بین این مواد و تابش الکترومغناطیسی را واضح میکنند و بینشهای مهمی را در مورد کاربردهای بالقوه آنها در فناوریهای نوری و فوتونیک ارائه میدهند.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Tuning the structural, electronic, magnetic, and optical properties of EuS via Nd²⁺ doping: a comprehensive study
نویسندگان [English]
- Aman Kumar 1
- Kamal Kishor Dwivedi 2
- Anuj Kumar 3
- U.C. Srivastava 4
- Shyamendra Pratap Singh 5
1 Department of Physics, Dr. Shivanand Nautiyal Govt P.G. College Karnprayag Uttarakhand, India
2 Department of Physics, Mahamaya Government Degree College, Sherkot, Bijnor, Uttar Pradesh, India.
3 Department of Physics, Mahamaya Government Degree College, Sherkot, Bijnor, Uttar Pradesh, India.
4 Department of Physics, Amity Institute of Applied Sciences, Amity University, Noida-201301, India
5 Department of Physics, Swami Vivekanand Govt P.G. College Lohaghat Uttarakhand, India
چکیده [English]
This study employs first-principles density functional theory (DFT) calculations within the WIEN2K software framework to investigate the electronic, magnetic, and optical properties of EuS and Eu₀.₅Nd₀.₅S compounds. The computational methodology incorporates the Tran-Blaha modified Becke-Johnson (TB-mBJ) exchange-correlation potential to enhance the accuracy of electronic structure predictions. Structural parameters, including equilibrium lattice constants and unit cell volumes, were derived by fitting the total energy versus volume data to the Birch-Murnaghan equation of state (BME). The computed structural properties exhibit strong agreement with available experimental data, validating the reliability of the adopted computational approach. Electronic properties were examined via band structure (BS) calculations, supplemented by an in-depth analysis of the total and partial density of states (T-DOS and P-DOS). The band structure results confirm the metallic nature of both EuS and Eu₀.₅Nd₀.₅S, as indicated by the presence of conduction states at the Fermi level. Optical properties were systematically analyzed through key frequency-dependent response functions, including the real and imaginary components of the dielectric function [ε₁(ω) and ε₂(ω)], reflectivity spectrum [R(ω)], energy-loss function [L(ω)], refractive index [n(ω)], and absorption coefficient [α(ω)]. These optical parameters elucidate the interaction mechanisms between these materials and electromagnetic radiation, offering crucial insights into their potential applications in optoelectronic and photonic technologies.
کلیدواژهها [English]
- WIEN2K
- Optical Properties
- Chalcogenides
- GGA
- P G Steeneken, L H Tjeng, I Elfimov, G A Sawatzky, G Ghiringhelli, N B Brookes, and D-J Huang, Phys Rev Lett 88 (2002) 047201.
- P LeClair, J K Ha, H J M Swagten, J T Kohlhepp, C H van de Vin, and W J M de Jonge, Appl Phys Lett 80 (2002) 625.
- J P Perdew and A Zunger, Phys Rev B 23 (1981) 5048.
- P Hohenberg and W Kohn, Phys Rev 136 (1964) B864.
- W Kohn and P Vashishta, in Theory of the Inhomogeneous Electron Gas, eds S Lundqvist and N H March (Plenum Press, New York, 1982).
- P Blaha, K Schwarz, G K H Madsen, D Kvasnicka, and J Luitz, WIEN2k: An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties, Technische Universität Wien, Austria (2001).
- J P Perdew, K Burke, and M Ernzerhof, Phys Rev Lett 77 (1996) 3865.
- P Blaha, K Schwarz, G K H Madsen, D Kvasnicka, and J Luitz, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties (2001).
- X Wang et al, J Alloys Compd 734 (2018) 329.
- W Kohn, A D Becke, and R G Parr, J Phys Chem 100 (1996) 12974.
- F D Murnaghan, Proc Natl Acad Sci USA 30 (1944) 244.
- M Betzinger, C Friedrich, S Blügel, and A Görling, Phys Rev B 83 (2011) 045105.
- F Murnaghan, Proc Natl Acad Sci USA 30 (1944) 244.
- P Larson, W R L Lambrecht, A Chantis, and M van Schilfgaarde, Phys Rev B 75 (2007) 045114.
- F Birch, Phys Rev 71 (1947) 809.
- M Horne, P Strange, W Temmerman, Z Szotek, A Svane, and H Winter, J Phys Condens Matter 16 (2004) 5061.
- X Zhou, K H Zhang, J Xiong, J-H Park, J H Dickerson, and W He, Size and dimensionality-dependent optical, magnetic and magneto-optical properties of binary europium-based nanocrystals: EuX (X = O, S, Se, Te) (unpublished).
- M Schlipf, M Betzinger, M Ležaić, C Friedrich, and S Blügel, Phys Rev B 88 (2013) 094433.
- R M Ram, A Saxena, A E Aly, and A Shankar, RSC Adv 10 (2020) 7661.
- D H Chung, W R Buessem, F W Vahldiek, and S A Mersol, Anisotropy in Single Crystal Refractory Compounds, Vol 2 (Plenum, New York, 1968) 217–245.
- S F Pugh, Philos Mag 45 (1954) 823.
- L Kleinman, Phys Rev 128 (1962) 2614.
- R H Potze and G A Sawatzky, Phys Rev B 51 (1995) 11501.
)