Theoretical study of the transition-metal oxides Pb2FeMoO6 and ZrO2

par Yan Zhang

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Vincent Ning Ji.

Soutenue le 26-09-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Institut) .

Le président du jury était Pascale Foury-Leylekian.

Le jury était composé de Pascale Foury-Leylekian, Manuel François, Jean-Michel Sprauel, Wang Xuanguo.

Les rapporteurs étaient Manuel François, Jean-Michel Sprauel.

  • Titre traduit

    Étude théorique des oxydes de métaux de transition Pb2FeMoO6 et ZrO2


  • Résumé

    Ces dernières années, les oxydes de métaux de transition ont suscité de grands intérêts du point de vue fondamental et technologique. A cet égard, nous nous concentrons sur deux types d'oxydes : le première, le Perovskite double Pb2FeMoO6, avec un potentiel d'application sur des appareils magnétorésistances et spintroniques ; le deuxième, la zircone ZrO2 avec de excellentes propriétés mécaniques et diélectriques pour être utilisée dans les domaines de matériaux structuraux et fonctionnels. Dans la présente étude, nous utilisons la méthode ab-initio (first-principles calculation) pour étudier les détails des orbites décomposés des structures électroniques et des propriétés magnétiques du Pb2FeMoO6 massif de structure parfaite, massif avec des défauts et en structure de plaque. En même temps, les détails des orbites décomposés des structures électroniques, les propriétés mécaniques, dynamiques et diélectriques de six phases de la ZrO2 (cubique, tétragonale, monoclinique, orthorhombique I (Pbca), orthorhombique II (Pnma) et (Pca21)) ont également été étudiés. D'abord nous allons faire les calculs ab-initio sur les propriétés structurales, électroniques et magnétiques de double pérovskite Pb2FeMoO6 massif avec structure parfaite, massif avec défauts et en structure de plaque. La densité des états orbitaux décomposés montre le champ cristallin octaédrique des six atomes d'oxygène autour de métal de transition (des Fe ou des Mo) et divise les cinq états dégénérés des atomes libres de Fe ou Mo dans un états triplement dégénéré t2g (dxy, dyz et dzx) avec une énergie plus faible et dans un états doublement dégénéré eg (dz2 et dx2-y2) avec une énergie plus élevée. La nature semi-métalliques et les propriétés de transport complètes (100%) de spin de polarisation de Pb2FeMoO6 massif et en structures de plaque reflètent un grand potentiel d’application dans les dispositifs magnéto-résistifs et spintroniques. Le caractère semi-métallique est maintenu pour le composé Pb2FeMoO6 désordonné contenant d’antisites Fe(Mo), de lacunes de VFe, VO ou VPb, alors qu'il disparaît quand les antisites Mo(Fe), les échanges entre Fe-Mo ou les lacunes de VMo sont présents même la concentration de défauts est réduite jusqu'à C = 6,25%. Ainsi, les antisites Mo(Fe), les échanges entre Fe-Mo ou les lacunes de VMo doivent être évités afin de préserver le caractère semi-métallique du composé Pb2FeMoO6 et donc être utilisables dans des dispositifs magnéto-résistifs et spintroniques.Ensuite, basé sur la rigidité élastique constantes individuelle calculée Cij de six phases de ZrO2, les propriétés élastiques et mécaniques des agrégats polycristallins ont été prédits. Nous avons donc examiné le caractère isolant de la phase cubique/tétragonale de ZrO2 sous forme film avec différentes combinaisons et différentes épaisseurs possibles dans des plans avec des faibles indices de Miller [(001), (110) et (111)] (pour la phase cubique) et [(001), (100), (110), (101) et (111)] pour la phase tétragonale. Il se trouve que pour les différentes combinaisons et épaisseurs possibles dans ces trois / cinq plans avec faibles indices de Miller, seulement ZrO2-terminé sous forme d’un film orienté dans le plan (110)/(100) et O-terminé sous forme d’un film orienté (111)/(101) des phases cubique/tétragonale de ZrO2 maintiennent le caractère isolant même les épaisseurs d’empilement est réduit jusqu'à deux et trois couches atomiques. Puisque cubique et tétragonale ZrO2 ont grande anisotropie élastique, comme un exemple, le stress et l'énergie de déformation densité ont été calculées pour tous {hkl} -oriented grains d'un film ZrO2 cubique polycristallin.


  • Résumé

    Transition-metal oxides have attracted exceptional research interest in recent years from both fundamental and technological perspectives. In this respect, we focus on two types of oxides, first, the double perovskite, Pb2FeMoO6 for a potential magnetoresistive and spintronics device application, second, zirconia ZrO2 with great mechanical and dielectric properties can be widely used in both structural and functional material fields. In this thesis we use first-principles calculations (ab-initio) to study systematically the detailed orbital-decomposed electronic structures and magnetic properties of Pb2FeMoO6 in the perfected bulk, defected bulk and slab structures. The detailed orbital-decomposed electronic structures, the mechanical, dynamical and dielectric properties of the ZrO2 in six phases (cubic, tetragonal, monoclinic, orthoI (Pbca), orthoII (Pnma) and (Pca21)) have also been studied.Firstly, considering the comparable ionic radius of Pb2+ (1.49Å) with that of Sr2+ (1.44Å), we propose for the first time to substitute Sr2+ ion with Pb2+ ion in Sr2FeMoO6 and a detailed study has been performed on the Pb2FeMoO6 in the perfected bulk, defected bulk and slab structures. The half-metallic nature and a complete (100%) spin-polarized transport properties reflect the bulk and especially slab Pb2FeMoO6 a potential application in magnetoresistive and spintronics devices; The detailed orbital-decomposed density of states show the octahedral crystal-field of the six oxygen atoms around transition-metal Fe or Mo atoms splits the five-fold degenerate states of the free Fe or Mo atoms into triply degenerate t2g (dxy, dyz and dzx) states with lower energy and doubly degenerate eg (dz2 and dx2-y2) states with higher energy, which cannot be observed in previous partial density of states ( ); The Fe3+ and Mo5+ ions are in the (3d5, s=5/2) and (4d1, s=1/2) states with positive and negative magnetic moments respectively and thus antiferromagnetic coupling via oxygen between them; The half-metallic character is maintained for the disordered Pb2FeMoO6 compounds containing FeMo antisite, VFe, VO, or VPb vacancy, while it vanishes when MoFe antisite, Fe-Mo interchange or VMo vacancy are presented even the defect concentration reduce down to C=6.25%. So the MoFe antisite, Fe-Mo interchange or VMo vacancy defects have to be avoided in order to preserve the half-metallic character of the Pb2FeMoO6 compounds and thus usable in magnetoresistive and spintronics devices.Secondly, based on the calculated individual elastic stiffness constants Cij of six ZrO2 phases, the elastic and mechanical properties of the polycrystalline aggregates have been predicted. We further exam the insulating characters of the cubic/tetragonal ZrO2 slabs with various possible terminations and thicknesses within three [(001), (110) and (111)]/five [(001), (100), (110), (101) and (111)] lower index Miller planes. It is found for the first time that among various possible terminations and thicknesses within these three/five lower index Miller planes, only ZrO2-terminated slabs of the (110)/(100) Miller plane and O-terminated slabs of the (111)/(101) Miller plane of cubic/tetragonal ZrO2 maintain the insulating character and thus usable as a gate dielectric oxide in IC industry even the slab thicknesses reduce down to 2 and 3 atomic layers, respectively; Since cubic and tetragonal ZrO2 have larger elastic anisotropy, both stress and strain energy density have been calculated for all {hkl}-oriented grains of a cubic ZrO2 polycrystalline film as one example.


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