Theoretical Study of the Spinel Structure of CuCr2O4 in the Tetragonal Phase Using Density Functional Theory

Abstract

Ми представляємо детальне теоретичне дослідження потрійних оксидів шпінелі CuCr2O4 з тетрагональною структурою I41/amd за допомогою теорії функціоналу густини (DFT). Розрахунки були виконані з використанням двох наближень до DFT, а саме наближення локальної щільності (LDA) і наближення узагальненого градієнта (GGA), обидва в спін-поляризованій версії. Для LDA ми використовували обмінно-кореляційний потенціал Ceperley-Alder, тоді як для розрахунків GGA ми використовували схему Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Ми оптимізували кристалічні структури за допомогою методу плоскої хвилі псевдопотенціалу та проаналізували на основі густини станів (DOS), парціальної густини станів (PDOS) та електронної зонної структури. Дійсно, це корисний метод прогнозування кристалічних структур CuCr2O4. PDOS Cu, Cr та O показала, що катіон Cr є домінуючим джерелом для вивчення магнітних властивостей CuCr2O4. Розрахунки спінової поляризації, виконані для CuCr2O4, і DOS показують, що існує велике спінове розщеплення між каналами зі спінами вгору та вниз поблизу рівня Фермі, що підтверджує p-d гібридизацію. Теоретично розрахований магнітний момент трохи перевищує експериментальні результати. Зроблено висновок, що оптимізований параметр решітки для GGA набагато краще узгоджується з експериментальними результатами, ніж для LDA. Валентна зона та зона провідності перекривали одна одну на рівні Фермі, що вказує на металеву природу CuCr2O4. Карти різниці густини заряду показують, що зв'язки Cu–Cr міцніші, ніж зв'язки Cu–O. Отримані результати порівняли з експериментальними значеннями та виявили гарне узгодження з ними. Результати даного дослідження можуть бути використані в майбутньому аналізі термодинамічних, оптичних і пружних властивостей цієї сполуки.

We report a detailed theoretical study of ternary spinel oxides CuCr2O4 with tetragonal I41/amd structures by means of density functional theory (DFT). The calculations were performed using two approximations to DFT, namely, the local density approximation (LDA) and the generalized gradient approximation (GGA), both in the spin-polarized version. For LDA, we used the Ceperley-Alder exchange-correlation potential, whereas for the GGA calculations, we used the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) scheme. We optimized the crystal structures using a pseudopotential plane wave method and analyzed on the basis of the density of states (DOS), partial density of states (PDOS), and electronic band structure. Indeed, it is a useful method to predict the crystal structures of CuCr2O4. The PDOS of Cu, Cr, and O revealed that the Cr cation is the dominant source to study the magnetic properties of CuCr2O4. Spin polarization calculations performed for CuCr2O4, and DOS show that there is a large spin splitting between the spin up down channels near the Fermi level, confirming p-d hybridization. The theoretical calculated magnetic moment is slightly higher than the experimental results. It was concluded that the optimized GGA lattice parameter agrees much better with the experimental findings than the LDA one. The valence and conduction bands overlapped each other at the Fermi level, indicating the metallic nature of CuCr2O4. The charge density difference maps indicate that Cu–Cr bonds are stronger than Cu–O. The obtained results were compared with experimental values and a good agreement with them was found. The results of the present study could be used in a future analysis of thermodynamical, optical and elastic properties of this compound.