Ab Initio Study of Electronic, Magnetic and Optical Properties of CuRh2O4 Spinel: First Principles Calculation

Abstract

У роботі структурні, електронні, магнітні та оптичні властивості шпінелі CuRh2O4, яка має тетрагональне впорядкування (I41/amd), були вивчені при кімнатній температурі за допомогою теорії функціонала густини (DFT) та коду SIESTA за методом надм'якого псевдопотенціалу. Дійсно, цей метод є корисним для прогнозування кристалічних структур шпінелі CuRh2O4. Кристалічні структури були оптимізовані за допомогою узагальненого градієнтного наближення (GGA) за схемою, описаною Пердью-Берком-Ернзергофом (PBE), та проаналізовані на основі густини станів (DOS), прогнозованої густини станів (PDOS) та зонної структури. Розраховані структурні параметри цієї сполуки узгоджуються з наявними експериментальними даними, тому отримані результати можна розглядати як прогнози. Перекриття валентної зони та зони провідності на рівні Фермі вказує на те, що CuRh2O4 має металеву природу. Існує сильна гібридизація між орбіталями Cu 3d та O 2p і орбіталями Rh 4d та O 2p. Магнітний внесок атомів CuRh2O4 вищий для атомів Rh на 4d-орбіталі, він також існує для атомів Cu на 3dорбіталі. Стосовно атомів O, є невеликий внесок на орбітальному рівні 2p. Загальний магнітний момент атомів оцінюється в 1,98 . Ці результати показують, що CuRh2O4 може поглинати всі частоти між видимим світлом та крайньою УФ-областю. Порівняння розрахованих параметрів гратки та інших властивостей з наявними експериментальними значеннями виявило їх сумісність. Ці результати цілком узгоджуються з результатами експерименту.

In this work, the structural, electronic, magnetic, and optical properties of spinel CuRh2O4, which has tetragonal ordering (I41/amd), were studied at room temperature using density functional theory (DFT) and SIESTA code with ultra-soft pseudopotential method. Indeed, it is a useful method to predict the crystal structures of spinel CuRh2O4. The crystal structures were optimized using a generalized gradient approximation (GGA) according to the scheme described by Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) and analyzed on the basis of density of states (DOS), projected density of states (PDOS), and band structure. The calculated structural parameters of this compound are consistent with the available experimental data, so these results can be considered as predictions. The overlapping of the valence and conduction bands at the Fermi level indicates that CuRh2O4 has a metallic nature. There is strong hybridization between the Cu 3d and O 2p orbitals, as well as between the Rh 4d and O 2p orbitals. The magnetic contribution of CuRh2O4 atoms is higher for Rh atoms in the 4d orbital, it also exists for Cu atoms in the 3d orbital. Concerning O atoms, there is a small contribution at the 2p orbital level. The total magnetic moment of atoms is estimated at 1.98 . These results indicate that CuRh2O4 can absorb all frequencies between visible light and extreme UV region. Comparison of the calculated lattice parameters and other properties with the available experimental values revealed compatibility between them. These results are in broad agreement with the experimental results.