Estudio DFT de las propiedades estructurales y electrónicas de las espinelas Mg2TiO4 y Zn2TiO4

Abstract

En el presente trabajo se utiliza la teoría de la funcional de la densidad (DFT por las siglas en inglés: Density Functional Theory) para el estudio de las propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas de estequiometría intermedia de la espinela Zn2TiO4 dopada con Magnesio Mg según la fórmula Zn(2-x)Mg(x)TiO4 con un dopaje de 0%, x=0, 50%, x=1 y 100%, x=2. Con respecto al estudio de la estructura, se determina la energía para diferentes volúmenes lo que equivale a una variación en la presión; a partir del ajuste mediante mínimos cuadrados a la ecuación de estado de Murnaghan, se determinan: 1) el parámetro de red a0; 2) el volumen de equilibrio a presión cero V0; 3) la energía mínima de la estructura E0; 4) el módulo de volumen B0; y 5) su variación respecto a la presión B’0 para cada compuesto. Se encuentra que estos parámetros para las espinelas inversas Zn2TiO4 y Mg2TiO4 son consistentes con resultados experimentales; se reportan por primera vez estos parámetros para el compuesto ZnMgTiO4. En cuanto al estudio de sus características electrónicas, se realizan los cálculos de la estructura de bandas, la densidad de estados y la densidad electrónica para el volumen de equilibrio, o presión cero. Se encuentra que la espinela Zn2TiO4 es semiconductora mientras que, la otra espinela Mg2TiO4 es aislante de gap directo en el punto Gamma de alta simetría de la primera zona de Brillouin; en contraste, el compuesto ZnMgTiO4 tiene gap indirecto. Su aparición se debe al rompimiento de la simetría cúbica de las espinelas precursoras Zn2TiO4 y Mg2TiO4; esto ocurre debido a que la estructura del estado base para el compuesto ZnMgTiO4 es tetragonal (P-4m2). Este cambio de simetría también tiene consecuencias sobre las demás características del material. Palabras clave: (Espinelas, Zn2TiO4, Mg2TiO4, compuesto ZnMgTiO4, DFT, estructura de bandas, propiedades electrónicas).

Abstract: In the current work, the Density Functional Theory (DFT) was used in order to study the structural, electronic and magnetic properties of Intermediate stoichiometry of the spinel Zn2TiO4 doped with Magnesium Mg, according to the formula Zn(2-x)MgxTiO4, with a doping of 0%, x=0, 50%, x=1 y 100%, x=2. With regard to the study of the structure, the amount of energy invested in several volumes –which is equivalent to a variation of the pressure– was determined. By adjusting minimal squares to the Murnaghan equation, it was possible to determine: 1) the net parameter a0, 2) the zero pressure equilibrium volume V0, 3) the minimal energy of the structure E0, 4) the bulk modulus B_0, and 5) the variation of this bulk modulus with respect to the pressure B´0 for each compound. It was determined that these parameters used for the inverse spinels Zn2TiO4 and Mg2TiO4 are consistent with experimental results. Such parameters were reported by first time for the compound ZnMgTiO4. Regarding the study of the electronic characteristics, the calculations of the band structure, the density of states and the electronic density for the spinels in their equilibrium volume were performed. As a result, it was found that the spinel Zn2TiO4 is semiconductor, while the spinel Mg2TiO4 is insulating of the direct gap at the point Gamma of high symmetry of the first Brillouin zone. On the other hand, the ZnMgTiO4 compound has an indirect gap. This indirect gap. Appears due to the breakdown of the cubic structure in the former spinels. It happens because the base - state structure for the compound ZnMgTiO4 is tetragonal (P-4m2). Such change in the symmetry also affects each feature of the material. Key words: (Spinels, Zn2TiO4, Mg2TiO4, compound ZnMgTiO4) DFT, Band structure, electronic properties).