Estudo teórico de sistemas ferroelétricos usando a teoria do funcional de densidade (DFT)

Abstract

Investiga las propiedades electrónicas del sistema de titanato de bario (BaTiO3), puro y modificado con elementos de tierras raras, los cuales poseen características multifuncionales con potencial para aplicaciones tecnológicas. Analizamos las características multiferróicas, así como la estructura electrónica utilizando el método de la Teoría del Funcional de Densidad, donde consideramos el espín electrónico y el potencial de Hubbard. Usamos la estructura de bandas para determinar la naturaleza dieléctrica, la teoría de King-Smith y Vanderbilt para mostrar la ferroeléctricidad, y la magnetización total para probar la naturaleza ferromagnética de los sistemas estudiados. Los resultados muestran que la sustitución de Ba2+ por La3+ compensando con vacancias de bario, reduce en el sistema dopado las propiedades ferroeléctricas. Por otro lado, la sustitución de Ba2+ con iones de tierras raras con orbitales 4f parcialmente llenos Nd3+ y Eu3+ en el BaTiO3, favorece la presencia simultánea de comportamiento dieléctrico, ferroeléctrico y ferromagnético, siendo la causa del ferromagnetismo los electrones 4f, característica que es observada también en los coeficientes de absorción XANES en el borde K del oxígeno. La importancia de este resultado abre nuevas perspectivas para la investigación teórica y experimental desde el punto de vista del diseño y análisis de nuevos materiales.

Neste trabalho, foram investigadas as propriedades eletrônicas do sistema titanato de bário (BaTiO3), com estrutura perovskita (ABO3), puro e modificado com elementos trivalentes de terras-raras (íons lantanídeos), que apresentam características multifuncionais com potencialidade para aplicação tecnológica. Em particular, as características multiferroicas, bem como a estrutura eletrônica, em função do conteúdo de terra-rara foram estudadas através do método da Teoria do Funcional de Densidade (DFT), onde consideramos a polarização do spin eletrônico, e o potencial de Hubbard para corrigir as interações coulombianas elétron-elétron nos orbitais f parcialmente preenchidos dos íons de terras-raras. As propriedades eletrônicas, tais como a estrutura eletrônica e a densidade de estados, foram calculados apos optimizar nosso sistema usando a condição de minimização da energia total. Usamos a estrutura de bandas para determinar a natureza dielétrica de nossos compostos e a teoria proposta por King-Smith e Vanderbilt para determinar a polarização elétrica espontânea, propriedade importante para confirmar a natureza ferroelétrica dos sistemas cristalinos. A magnetização total, obtida nos cálculos auto-consistentes é usada para determinar a natureza ferromagnética dos sistemas estudados. Os resultados mostram que a substituição do Ba^{2+} pelo La^{3+}, compensando a estrutura cristalina com vacâncias de bário, induz as propriedades ferroelétricas no sistema dopado, sendo estas menos intensas que no BaTiO3 tetragonal puro. Por outro lado, a substituição de Ba^{2+} por íons de terras-raras com orbitais 4f semi-preenchidos como o Nd^{3+} e Eu^{3+} no BaTiO3 tetragonal, favorece a presença simultânea de um comportamento dielétrico, ferroelétrico e ferromagnético, sendo a causa do ferromagnetismo gerada principalmente pelos elétrons 4f dos íons de terras-raras. Esta última propriedade foi conferida também a partir dos resultados dos coeficientes de absorção XANES na borda K do oxigênio. A importância deste resultado abre novas perspectivas para as pesquisas teóricas e experimentais do ponto de vista do desenho e análise de novos materiais com características multifuncionais, bem como mostra as potenciais aplicações destes sistemas na industria eletro-eletrônica.