Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 12 (Декабрь 2020), c. 1365-1370    ( к оглавлению , назад )

Ab initio calculations of the electronic structure for Mn2+-doped YAlO3 crystals

S. Piskunov1, I. Isakoviča1, M. Putnina1, and A. I. Popov1,2

1Institute of Solid State Physics, University of Latvia, Riga LV-1063, Latvia

2Institute of Physics, University of Tartu, Tartu 50411, Estonia
E-mail: piskunov@cfi.lu.lv

Received August 23, 2020, published online October 21, 2020

Abstract

The electronic structure of Mn2+ ion substituted for the host Y atom in orthorhombic bulk YAlO3 crystals has been calculated by means of hybrid exchange-correlation functional HSE within density functional theory. The supercell approach has been used to simulate in Pbnm YAlO3 crystal the point defects, Mn-dopant and compensated the F+ center (oxygen vacancy with one trapped electron), to make unit cell neutral. Large 2 × 2 × 2 supercells of 160 atoms allow us to simulate substitutional point defect with concentration of about 3 %. Mn2+ ions substituting for host Y form covalent Mn–O bonds, in opposite to the mostly ionic Y–O bond. The F+ center inserted to compensate the Mn2+ dopant in YAlO3 affects the electronic structure of a host material inducing three defect energy levels in the band gap.

Анотація

Електронна структура іона Mn2+, що заміщує основний атом Y в об’ємних орторомбічних кристалах YAlO3, розрахована за допомогою гібридного обмінно-кореляційного функціонала HSE у рамках теорії функціонала щільності. Для моделювання в кристалі Pbnm YAlO3 точкових дефектів, домішки Mn2+ і F+ центр (киснева вакансія з одним захопленим електроном), використовувався підхід суперкомірки. F+ центри вводилися, щоб зробити елементарну комірку нейтральною. Великі суперкомірки 2 × 2 × 2 зі 160 атомів дозволяють моделювати точковий дефект заміщення з концентрацією близько 3 %. Іони Mn2+, які заміщають атоми Y, утворюють ковалентні зв’язки Mn–O, на відміну від переважно іонного зв’язку Y–O. F+ центр, введений для компенсації домішки Mn2+ у YAlO3, впливає на електронну структуру основного матеріалу, утворюючи три рівні енергії дефектів у забороненій зоні.

Key words: substitutional point defects, Mn-dopant, electronic structure, ab initio modeling.