Estudos ab initio e de estrutura eletrônica do sistema multiferróico Bi(1-x)Nd(x)FeO3

Abstract

Resumo: Devido ao desenvolvimento tecnológico, cada vez mais existe a necessidade da busca por novos materiais que propiciam novas propriedades físicas e aplicações; dentre eles estão os materiais multiferróicos, no qual um dos mais conhecidos e estudados é o BiFeO3. Por meio da modificação desse material, com outros átomos, é possível alterar as suas propriedades elétricas e magnéticas; com isso, tornando a sua aplicação tecnológica mais ampla. Muitas ferramentas experimentais e teóricas podem ser empregadas para esse estudo. As que são empregada neste trabalho são ferramentas computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade, que por meio da densidade eletrônica, torna possível a obtenção de propriedades estruturais, elétricas e magnéticas. Em particular, foi estudado o composto Bi1??xNdxFeO3, com x variando de 0; 0 até 1; 0. O estudo mostrou que o modelo que descreve melhor o material em quase todas as concentrações foi o que usa o grupo espacial Pbnm, com exceção de x = 0, que tanto o modelo que usa o grupo espacial R3c quanto o Pbnm se adaptaram de forma idêntica. O estudo da densidade eletrônica mostrou que a dopagem com neodímio provoca distorções na estrutura e, consequentemente, alterações nas propriedades eletrônicas, elétricas e magnéticas. Com a análise de estrutura de bandas e densidade de estados, foi possível verificar que a dopagem com neodímio causa uma diminuição do gap de energia, e que a contribuição da magnetização do composto é causada pelos orbitais 3d do ferro e 2p do oxigênio; já o bismuto não contribui para tal propriedade.

Abstract: Due to technological development, there is more and more need for new materials, which provide new properties and functions; the multiferroic materials are among these materials, and a well-known and studied composition is the BiFeO3. By modifying this material by substitution with different atoms, it is possible to change its electrical and magnetic properties; thereby making its technological application field wider. Many experimental and theoretical tools may be employed for this study. In this work, computational tools based on Density Functional Theory are employed and, through the electron density, makes possible to obtain structural, electrical and magnetic properties. As a particular case, in this work the Bi1??xNdxFeO3 compositions were studied, with x changing from 0:0 to 1:0. In this study it was found that the model which uses the space group Pbnm presents the best description of the material at almost all concentrations. An exception is for x = 0, were both the models, using R3c and Pbnm space groups, have identical results. The study of the electron density showed that the neodymium doping causes distortions in the structure, and consequently changes the electronic, electrical and magnetic properties. In the band structure and density of states analyses, it was possible to see that the neodymium doping leads to a decrease in the energy gap, and the contribution to the magnetization of the Bi1??xNdxFeO3 compositions is caused by the iron 3d and the oxygen 2p orbitals; bismuth atoms do not contribute to this property.