Електроннi та магнiтнi характеристики поверхнi шпiнелi Co3O4 (111) в наближеннi GGA+U
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe62.07.0615Ключові слова:
шпiнель, оксид кобальту, магнiтна структура поверхнiАнотація
Методом функцiонала густини розраховано атомну структуру та електроннi властивостi поверхнi шпiнелi Co3O4(111). Розглянуто можливi типи поверхнi, розраховано вiльну енергiю їх формування. Детально дослiджено електроннi стани, що утворюються внаслiдок обiрваних зв’язкiв на поверхнi, та розраховано їхню парцiальну густину. Показано, що на вiдмiну вiд об’ємної шпiнелi, її поверхня володiє нетривiальними магнiтними властивостями внаслiдок того, що атоми кобальту в умовах поверхнi набувають ненульового магнiтного моменту.
Посилання
A. Walsh, S.-H. Wei, Y. Yan, M.M. Al-Jassim, J.A. Turner, M. Woodhouse, B.A. Parkinson. Structural, magnetic, and electronic properties of the Co–Fe–Al oxide spinel system: Density-functional theory calculations. Phys. Rev. B 76, 165119 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.165119
E. Meza, D. Alburquenque, J. Ortiz, J.L. Gautier. Lithium cobalt spinel oxide: A structural and electrochemical study. J. Chil. Chem. Soc. 53, 1494 (2008).
https://doi.org/10.4067/S0717-97072008000200010
D. Su, S. Dou and G. Wang. Sci. Rep. 4, 5767 (2014).
https://doi.org/10.1038/srep05767
X. Xie, Y. Li, Z.-Q. Liu, M. Haruta, W. Shen. Single crystalline Co3O4 nanocrystals exposed with different crystal planes for Li–O2 batteries. Nature 458, 746 (2009).
https://doi.org/10.1038/nature07877
Y.-Z. Wang, Y.-X. Zhao, C.-G. Gao and D.-S. Liu. Origin of the high activity and stability of Co3O4 in lowtemperature CO oxidation. Catal. Lett. 125, 134 (2008).
https://doi.org/10.1007/s10562-008-9531-4
C. Ohnishi, K. Asano, S. Iwamoto, K. Chikama, M. Inoue. Alkali-doped Co3O4 catalysts for direct decomposition of N2O in the presence of oxygen. Catal. Today 120, 145 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.cattod.2006.07.042
K. Schmidt-Szalowski, K. Krawczyk, J. Petryk. The properties of cobalt oxide catalyst for ammonia oxidation. Appl. Catal. A 175, 147 (1998).
https://doi.org/10.1016/S0926-860X(98)00206-3
M. Bajdich, M. Garcia-Mota, A. Vojvodic, J.K. Norskov, A.T. Bell. Theoretical investigation of the activity of cobalt oxides for the electrochemical oxidation of water. J. Am. Chem. Soc. 135, 13521 (2013).
https://doi.org/10.1021/ja405997s
H.-J. Kim, J.-H. Lee. Highly sensitive and selective gas sensors using -type oxide semiconductors: Overview. Sens. Actuat. B 192, 607 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.11.005
D.R. Miller, S.A. Akbar, P.A. Morris. Nanoscale metal oxide-based heterojunctions for gas sensing: A review. Sens. Actuat. B 204, 250 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.07.074
Oxide Materials at the Two-Dimensional Limit, edited by F.P. Netzer, A. Fortunelli (Springer, 2016).
https://doi.org/10.1007/978-3-319-28332-6
J.S. Griffith. The Theory of Transition-Metal Ions (Cambridge Univ. Press, 1971).
W.L. Roth. The magnetic structure of Co3O4. J. Phys. Chem. Solids 25, 1 (1964).
https://doi.org/10.1016/0022-3697(64)90156-8
J. Noh, O.I. Osman, S.G. Aziz, P. Winget, J.-L. Bredas. Magnetite Fe3O4 (111) surfaces: Impact of defects on structure, stability, and electronic properties. Chem. Mater. 27, 5856 (2015).
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b02885
A. Montoya, B.S. Haynes. Periodic density functional study of Co3O4 surfaces. Chem. Phys. Lett. 502, 63 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2010.12.015
X.-L. Xu, Z.-H. Chen, Y. Li, W.-K. Chen, J.-Q. Li. Bulk and surface properties of spinel Co3O4 by density functional calculations. Surf. Sci. 603, 653 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.susc.2008.12.036
J. Chen, A. Selloni. Electronic states and magnetic structure at the Co3O4(110) surface: A first-principles study. Phys. Rev. B 85, 85306 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.085306
J.M. Perez-Mato, S.V. Gallego, E.S. Tasci, L. Elcoro, G. de la Flor, M.I. Aroyo. Symmetry-based computational tools for magnetic crystallography. Annu. Rev. Mater. Res. 45, 217 (2015).
https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070214-021008
Y.E. Kitaev, P. Tronc. Ferromagnetic and antiferromagnetic ordering in the wurtzite-type diluted magnetic semiconductors. Phys. Solid State 54, 520 (2012);
https://doi.org/10.1134/S1063783412030146
Y.E. Kitaev, P. Tronc. Ferromagnetic and antiferromagnetic ordering in the wurtzite-type diluted magnetic semiconductors. Phys. Solid State 54, 520 (2012); P. Tronc, private communication.
P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini et al. Quantum ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. J. Phys. Condens. Matter 21, 395502 (2009).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502
J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
J. Hubbard. Electron correlations in narrow energy bands. Proc. R. Soc. London A 276, 238 (1963).
https://doi.org/10.1098/rspa.1963.0204
J.D. Pack, H.J. Monkhorst. "Special points for Brillouinzone integrations" – a reply. Phys. Rev. B 16, 1748 (1977).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.16.1748
M. Methfessel, A.T. Paxton. High-precision sampling for Brillouin-zone integration in metals. Phys. Rev. B 40, 3616 (1989).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.40.3616
A. Soon, M. Todorova, B. Delley, C. Stampfl. Thermodynamic stability and structure of copper oxide surfaces: A first-principles investigation. Phys. Rev. B 75, 125420 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.125420
G.J. Martyna, M.E. Tuckerman. A reciprocal space based method for treating long range interactions in ab initio and force-field-based calculations in clusters. J. Chem. Phys. 110, 2810 (1999).
https://doi.org/10.1063/1.477923
W. Meyer, K. Biedermann, M. Gubo, L. Hammer, K. Heinz. Surface structure of polar Co3O4(111) films grown on Ir(100)-(1x1). J. Phys.: Condens. Matter 20, 265011 (2008).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/20/26/265011
P. Ferstl et al. Adsorption and activation of CO on Co3O4 (111) thin films. J. Phys. Chem. C 119, 16688 (2015).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b04145
S.C. Petitto, E.M. Marsh, G.A. Carson, M.A. Langell. Cobalt oxide surface chemistry: The interaction of CoO (100), Co3O4 (110) and Co3O4 (111) with oxygen and water. J. Mol. Catal. A 281, 49 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.molcata.2007.08.023
W. Geertsma, D. Khomskii. Influence of side groups on 90∘ superexchange: A modification of the Goodenough– Kanamori–Anderson rules. Phys. Rev. B 54, 3011 (1996).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.3011
M.S. Martin-Gonz’alez et al. A solid-state electrochemical reaction as the origin of magnetism at oxide nanoparticle interfaces. J. Electrochem. Soc. 157, E31 (2010).
https://doi.org/10.1149/1.3272638
M.A. Garc’ıa et al. Surface magnetism in ZnO/Co3O4 mixtures. J. Appl. Phys. 107, 043906 (2010).
https://doi.org/10.1063/1.3294649
T.-L. Phan, N.X. Nghia, S.C. Yu. Raman scattering spectra and magnetic properties of polycrystalline Zn1− Co O ceramics. Solid State Commun. 152, 2087 (2012).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
