Ab-initio study of the magnetic and optical properties of the double perovskite $A_2M’M”O_6$ compounds, where A = an alkaline earth metal, and $M’$, $M”$ = transition metals

Abstract

In this dissertation, we employed the Full-Potential Linearized Augmented Plane Wave (FP-LAPW) and Pseudo-Potential Projector Augmented Wave (PP-PAW) methods to establish the magnetic phase stability and elucidate the electronic structure and optical properties of two double perovskite compounds, $Ba_2MnWO_6$ (BMW) and $Ba_2TiMNO_6$ (BTM), using the advanced capabilities of DFT theory. With collinear Mn spins oriented the [001] direction and an ordered moment $μ_{ord}$ of roughly 4.42 $μ_B$ for BMW and 2.56 $μ_B$ for BTM, our results indicate that the most stable magnetic structure is antiferromagnetic. A thorough examination of the electronic band structure (EBS) and density of states (DOS) reveals that BMW is an indirect narrow band gap semiconductor with a semiconducting energy gap of $E_g = 0,36 eV$, while BTM is a direct band gap semiconductor with a gap $E_g$ of 0.98 eV. Furthermore, the impact of Hubbard correction terms $U_{eff}$ on the semiconducting energy gap $E_g$ was investigated. Unlike $μ_{ord}$, $E_g$ increases with $U_{eff}$, reaching 1.76 eV for BMW and 1.27 eV for BTM at $U_{eff} = 3 eV$. Additionally, the distinction between spin-up and spin-down states in DOS structures shows the magnetic order of $Mn^{2+}$ moments. The magnetic order in BTM is created by the super-exchange interaction, which involves electron hopping between the $Mn-3d$ and $O-2p$ orbitals. Both double perovskites have high optic conductivity, dielectric constants, and a strong ultraviolet light absorption coefficient, making them excellent candidates for high-performance perovskite solar cells in optoelectronic applications. The pressure effect investigation suggests that compressive strain at 8GPa may induce structural distortion, resulting in a significant increase in the semiconductinq qap.

W niniejszej dysertacji zastosowaliśmy metody pełnego potencjału liniowo zaugmentowanej płaszczyzny falowej (FP-LAPW) oraz zaugmentowanej fali płaszczyznowej z pseudopotencjałem (PP-PAW), aby ustalić stabilności fazy magnetycznej oraz wyjaśnić strukturę elektronową i właściwości optycznych dwóch podwójnych związków perowskitowych, $Ba_2MnWO_6$ (BMW) i $Ba_2TiMNO_6$ (BTM), z wykorzystaniem zaawansowanych możliwości teorii DFT. Przy kolinearnych spinach Mn skierowanych w kierunku [001] i uporządkowanym momencie $μ_{ord}$ wynoszącym okolo 4,42 $μ_B$ dla BMW i 2,56 $μ_B$ dla BTM, nasze wyniki wskazują, że najstabilniejszą strukturą magnetyczną jest struktura antyferromagnetyczna. Szczegółowe badania struktury pasm elektronowych (EBS) i gęstości stanów (DOS) wykazują, że BMW jest półprzewodnikiem z pośrednią wąską przerwą energetyczną wynoszącą $E_g = 0,36 eV$, podczas gdy BTM jest półprzewodnikiem z bezpośrednią przerwą energetyczną $E_g$ równą 0,98 eV. Ponadto zbadano wpływ korekty Hubbarda $U_{eff}$ na przerwę energetyczną $E_g$ półprzewodników. W przeciwieństwie do $μ_{ord}$, $E_g$ rośnie wraz z $U_{eff}$, osiągając 1,76 eV dla BMW i 1,27 eV dla BTM przy $U_{eff} = 3 eV$. Ponadto, różnica między stanami spin-up a spin-down w strukturach DOS wskazuje na uporządkowanie magnetyczne momentów $Mn^{2+}$. Uporządkowanie magnetyczne w BTM powstaje na skutek interakcji superwymiany, która obejmuje przeskoki elektronów między orbitalami $Mn-3d$ i $O-2p$. Oba podwójne perowskity charakteryzują się wysokim przewodnictwem optycznym, stałymi dielektrycznymi oraz silnym współczynnikiem absorpcji światła ultrafioletowego, co czyni je doskonałymi kandydatami na wysoko wydajne perowskitowe ogniwa słoneczne w zastosowaniach optoelektronicznych. Badania wpływu ciśnienia sugerują, że naprężenie ściskające przy 8 GPa może powodować zniekształcenia strukturalne, co prowadzi do znaczącego wzrostu przerwy energetycznej.