[논문 리뷰] Ab initio studies of magnetic properties of cobalt and tetracobalt nitride Co$_{4}$N

Abdesalem Houari, Samir F. Matar외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 10.

Boron and Carbon Nanomaterials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 ab initio 연구는 허위-퍼텐셜 및 일체 전자 방법을 사용한 밀도함수이론을 통해 코발트와 테트라코발트 질화물(Co₄N)의 자성 성질을 조사한다. 연구 결과 Co₄N는 강한 페로자성체이며, 특별히 Co I 원자는 국소 자성을 보이며 낮은 부피에서 빠르게 자화모멘트가 포화되고, Co II 원자는 이트레이너 자성 거동를 보이며 더 큰 부피에서 점진적인 모멘트 증가를 보이며 FCC-Co의 경향을 반영하지만, 페로자성체와는 다름을 보인다. 이는 페르미면 근처의 밀도 상태가 감소하기 때문이다.

ABSTRACT

Magnetic properties and bonding analyses of perovskite structure Co$_{4}$N nitride have been investigated within density functional theory using both pseudo potential and all electron methods. In the same time, the structural and magnetic stability of pure cobalt in hexagonal close packed (HCP), face centered cubic (FCC) and body centered cubic (BCC) structures are reviewed. At equilibrium, non-spin polarized (NSP) and spin polarized (SP) calculations of the energy versus volume show that the ground state is ferromagnetic in both materials. HCP-Co is found to be more stable than the cubic ones. Magnetic moments of Co atoms in Co$_4$N nitride respectively belonging to two different crystallographic sites are studied over a wide range of the cubic lattice constant, and a comparison with the FCC-cobalt one is given. The volume expansion in the nitride indicates that the corner Co$^{I}$ atoms show localized magnetism while face center Co$^{II}$ atoms exhibit an itinerant behavior. Like in FCC-Fe/Fe$_{4}$N, a "low volume-low moment" and "large volume-high moment" behavior is observed for FCC-Co/Co$_4$N. The density of states of the Co$_{4}$N ferromagnetic ground state is interpreted within the rigid band model. The different bonding characters of Co$^I$-N versus Co$^{II}$-N are shown with help of electron localization fucntion ELF plots and spin resolved chemical bonding criteria.

연구 동기 및 목표

• 다양한 부피 조건에서 흐름형 코발트 상(HCP, FCC, BCC)과 비교하여 Co₄N의 자성 거동을 이해하기 위해.
• 화학적 압력과 결합 효과를 통해 질소가 자화모멘트를 어떻게 수정하는지 조사하기 위해.
• FCC-Co와의 비교를 통해 Co₄N의 자성체적 효과의 기원을 명확히 하기 위해.
• 부분 밀도 상태(PDOS) 및 공유 결합 에너지, 전자 국소화 함수(ELF)와 같은 화학 결합 기준을 사용하여 전자 구조를 분석하기 위해.

제안 방법

• 교환-상관 효과에 대해 일반화된 기울기 근사(GGA-PBE)를 사용한 밀도함수이론(DFT).
• 전자 및 자성 구조를 정확히 기술하기 위해 일체 전자 보완 구형면(ASW) 방법을 사용.
• 기본 상태의 자성 순서와 상 안정성을 결정하기 위해 스핀 분할 에너지 대 부피 곡선을 계산.
• Co I 및 Co II 위치에서의 d-오비탈 기여 및 스핀 분리 정도를 분석하기 위해 부분 밀도 상태(PDOS) 분석을 수행.
• 공유 결합 에너지(ECOV) 및 전자 국소화 함수(ELF) 그림을 통해 Co–N 및 Co–Co 상호작용을 분석하기 위한 화학 결합 분석.
• HCP-Co, FCC-Co 및 Co₄N 간의 자화모멘트 및 밴드 구조를 비교하여 부피 및 결합 효과를 분리하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co₄N의 자화모멘트는 격자 부피에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 FCC-Co와 동일한 자성체적 경향을 따르는가?
• RQ2 Co₄N 내 Co I 및 Co II 원자 간의 상이한 자성 거동의 기원은 무엇이며, 질소는 그들의 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Co I 및 Co II 위치 간의 Co–N 결합 특성(결합/반결합, 혼성 궤도)은 어떻게 다를까? 이는 자성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FCC-Co에서의 구조적 왜곡에도 불구하고 Co₄N이 강한 페로자성체인 이유는 무엇이며, 그 밀도 상태(DOS)는 Fe₄N과 어떻게 다를까?
• RQ5 Co₄N의 교환 분열 및 PDOS 특성은 국소 자성과 이트레이너 자성을 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• Co₄N과 순수한 코발트의 기본 상태는 모두 페로자성체이며, 세 다이아모르프 중에서 HCP-Co가 가장 안정한 상이다.
• Co₄N 내 Co I 원자는 높은 교환 분열(2.74 eV, ΔE_Hankel)을 보이며 국소 자성을 나타내어 낮은 부피에서 자화모멘트가 매우 빠르게 포화된다.
• Co II 원자는 질소에 의한 더 강한 화학적 압력로 인해 이트레이너 거동를 보이며, 낮은 교환 분열(1.42 eV)과 평형 부위를 초과한 후 지연되고 불완전한 모멘트 증가를 보인다.
• 두 Co 원자 모두 '낮은 부피-낮은 모멘트' 및 '큰 부피-높은 모멘트' 거동를 나타내며, FCC-Co와 유사하지만, 주로 다수 스핀 채널에서의 최소 밀도 상태로 인해 더 강한 페로자성체 성질을 보인다.
• Co–N 결합은 주로 밴드의 결합 영역에서 공유 결합이며, 약 −9 eV에서 σ 유형 피크와 [−9, −6 eV] 범위에서 π 유형의 결합이 관찰되며, 페르미면 근처에는 π* 반결합 상태가 나타난다.
• ELF 및 ECOV 분석은 Co I–N 상호작용이 교환 분열의 영향을 덜 받으며 여전히 결합 상태를 유지하는 반면, Co II–N는 상당한 공유 안정성을 경험하여 전체적인 페로자성체 안정성에 기여함을 확인한다.