Estudo de primeiros princípios da correlação entre estrutura e magnetoeletricidade na Ferrita de Bismuto BiFeO3

Abstract

Resumo: A dependência das propriedades multiferroicas e o efeito magnetoelétrico da ferrita de bismuto (BiFeO3) com variações no volume da célula unitária do material foi investigada através do uso da teoria do funcional densidade (DFT), utilizando a aproximação de gradiente generalizado (GGA) com parâmetro U de Hubbard. Relatamos uma dependência expressiva da polarização intrínseca do material para os diferentes volumes, com uma variação da ordem de 30% entre o maior e menor valor obtidos. A estrutura do material é pouco afetada pelo escalonamento da célula, resultando em variações pequenas dos ângulos de rotação dos octaedros da estrutura perovskita e de ligação entre os íons de ferro e oxigênio. O comportamento magnético do material é também pouco afetado, havendo pouca mudança no momento magnético para os volumes estudados, porém uma alteração significativa na intensidade da interação de supertroca entre os íons de ferro vizinhos é reportada. Foi verificado que para volumes comprimidos a tendência do material é intensificar a hibridização dos orbitais, resultando em menor localização de seus estados eletrônicos e uma maior dispersão da estrutura de bandas, sendo o comportamento contrário observado para volumes expandidos. Apesar disso, o gap indireto do material sofre pouca variação, mantendo-se da ordem de 1,9 eV e caracterizando o BiFeO3 como um semicondutor de gap largo para todos os cenários estudados

Abstract: The dependence of the multiferroic properties and the magnetoelectric effect in bismuth ferrite (BiFeO3) in regards to variations in the volume of the unit cell was investigated through the use of density functional theory (DFT), using the generalized gradient approximation (GGA) as well as a Hubbard-U parameter. We report a significant dependence of the intrinsic polarization of the material for the different volumes, up to a 30% difference between the highest and lowest values obtained. The structure of the material is scarcely affected by the scaling of the unit cell, resulting in small variations in the angles of octahedra rotation of the perovskite structure and of the bond between Fe-O-Fe. The magnetic behaviour of the material is also barely affected, with little change in the magnetic momenta for the volumes considered, although a significant variation in the intensity of the superexchange interaction between neighbouring Fe ions is reported. It was observed that for compressed volumes there is a trend of intensification of orbital hybridization, resulting in a increased dispersion of associated electronic states and a flattening of the band structure. The opposite behaviour was observed for expanded volumes. Nonetheless, the indirect gap of the material is also only slightly affected, maintaining itself at approximately 1,9 eV and thus caracterizing BiFeO3 as a large gap semiconductor for all cases studied