Estudio de las propiedades estructurales, electrónicas, magnéticas y topológicas de la familia de materiales magnéticos M(Bi1-xSbx)2Te4

Abstract

El estudio de materiales, desde el punto de vista de la topología, ha abierto caminos en la obtención de nuevas fases de la materia; sin embargo, en los últimos años se ha comenzado a explorar la posibilidad de obtener al mismo tiempo fases magnéticas. Estos nuevos materiales encuentran una guía para su adquisición experimental a través de trabajos teóricos de primeros principios que permitan fijar un camino seguro y un ahorro de esfuerzos y recursos. En esta tesis doctoral, por medio de primeros principios utilizando la teoría de la densidad funcional DFT, se investigan las propiedades estructurales, electrónicas, magnéticas y topológicas de la familia de materiales magnéticos M(Bi1−xSbx)2Te4, donde M representa los metales de transición del grupo 3d: Vanadio V, Cromo Cr, Manganeso Mn, Hierro Fe y Níquel Ni para x=0, x=0.5 y x=1. Se obtienen las características estructurales y las geometrías de los quince materiales magnéticos energéticamente más estables; se encuentra que en su gran mayoría esta familia de materiales crece en capas séptuples de Te, Bi (Sb), Te, M, Te, Bi (Sb), Te, unidas por fuerzas de Van der Waals. Estos materiales cristalizan en los grupos espaciales 156 y 166 con disposiciones antiferromagnéticas para el Vanadio, Manganeso, Níquel y Hierro, además de ferromagnéticas para el Cromo; las propiedades electrónicas con la corrección relativista del acoplamiento espín-órbita SOC revelan que los materiales con Vanadio, Manganeso, Hierro y Níquel son materiales semiconductores con una reducción de la brecha de energía prohibida comparada con la estructura de bandas sin SOC; se identifica el invariante topológico Z4 de los cristales, revelando la naturaleza topológica de algunas de las estructuras que contienen Vanadio, Manganeso, Hierro y Níquel (Texto tomado de la fuente).

The materials study, from the topological point of view, has opened ways to obtaining new matter´s phases; however, in recent years, the possibility of obtaining magnetic phases at the same time has begun to be explored. These new materials find a guide for their experimental acquisition through theoretical first-principles works that allow setting a safe path and a saving of efforts and resources. In this PhD thesis, the structural, electronic, magnetic, and topological properties of the magnetic materials family M(Bi1−xSbx)2Te4, where M represents the 3d group transition metals: Vanadium V, Chromium Cr, Manganese Mn, Iron Fe and Nickel Ni for x=0, x=0.5 and x=1, using density functional theory (DFT). The structural characteristics and geometries of the fifteen most energetically stable magnetic materials are obtained; it is found that this materials family grows in septuple layers of Te, Bi (Sb), Te, M, Te, Bi (Sb), Te, bound by Van der Waals forces. These materials crystallize in the space groups 156 and 166 with antiferromagnetic dispositions for Vanadium, Manganese, Nickel and Iron, as well ferromagnetic for Chromium; the electronic properties with relativistic spin-orbit-coupling SOC correction reveal that the materials with Vanadium, Manganese, Iron, and Nickel are semiconducting materials with a gap reduction compared to the band structure without SOC; the topological invariant Z4 of the crystals is identified, revealing the topological nature of some of the structures containing Vanadium, Manganese, Iron, and Nickel.