Ο Ψευδάργυρος (Zn) είναι ένα σύνηθες υλικό που χρησιμοποιείται συχνά σε μοντέρνα υλικά χάρη στην αφθονία του, το χαμηλό του κόστος, την μη-τοξικότητα, την σταθερότητα και την εξαιρετική ικανότητα του να μπορεί να σχηματίσει κράματα με τα περισσότερα μεταλλικά στοιχεία. Τα χαλκογενίδια και τα οξείδια που περιέχουν Zn χρησιμοποιούνται εκτενώς σε μια πληθώρα εφαρμογών. Σε αυτή τη μεταπτυχιακή εργασία, μελετάμε δυο χαρακτηριστικές οικογένειες υλικών με ψευδάργυρο: τα χαλκογενίδια του Zn και το Mn2NiO4 εμπλουτισμένο (doped) με Zn.
Η οικογένεια των χαλκογενιδίων του ψευδαργύρου (ZnS, ZnSe, ZnTe) είναι ημιαγωγοί II —VI ευθέως χάσματος οι οποίοι είναι εξαιρετικά υλικά για οπτικές συσκευές, χάρη στο μεγάλο χάσμα και τις οπτικές τους ιδιότητες. Το Mn2NiO4 από την άλλη, είναι ένα γνωστό υλικό για αισθητήρες θερμοκρασίας χάρη στον αρνητικό θερμικό συντελεστή της αντίστασης (NTCR) που διαθέτει, αλλά τα κράματα του με το Zn χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης. Σε αυτή την μεταπτυχιακή εργασία, χρησιμοποιούμε την Density Functional Theory με την μέθοδο Projector-Augmented Wave (PAW) με σκοπό τον υπολογισμό της ηλεκτρονικής δομής και των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων αυτών των υλικών.
Στο πρώτο μέρος της εργασίας εξερευνούμε τις δομικές, ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες της οικογένειας των χαλκογενιδίων του Zn κάνοντας υπολογισμούς από πρώτες αρχές. Αν και η DFT μπορεί να αποδώσει με μεγάλη ακρίβεια τις ιδιότητες των υλικών στη θεμελιώδη κατάσταση, δεν είναι αρκετή όταν πρόκειται για ιδιότητες που βασίζονται σε διεγερμένες καταστάσεις του υλικού, όπως το ηλεκτρονικό χάσμα και το φάσμα απορρόφησης. Για μια πιο ακριβή περιγραφή των υλικών, λύνουμε την εξίσωση Bethe-Salpeter στην προσέγγιση GW για να συμπεριλάβουμε στον υπολογισμό μας αλληλεπιδράσεις πολλών-σωμάτων όπως αυτές ηλεκτρονίων-οπών (εξιτόνια).
Στο δεύτερο μέρος αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας, επικεντρωθήκαμε στο Mn2NiO4 και στα κράματα του που προκύπτουν από αντικατάσταση του Mn με Zn. Υπολογίζουμε την δομή, την μαγνήτιση και την πυκνότητα καταστάσεων αυτών των υλικών στη θεμελιώδη κατάσταση για διαφορετικές συγκεντρώσεις Zn. Στη συνέχεια, υπολογίζουμε τις ιδιότητες δύο παρόμοιων σειρών από υλικά με γενικό τύπο MnxZnyNiyO4. Παρόλο που αυτά τα υλικά παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενες ηλεκτρικές ιδιότητες, λεπτομερείς υπολογισμοί αλλά και πειράματα λείπουν από τη βιβλιογραφία. Σε στενή συνεργασία με πειραματικούς συναδέλφους μας, θα διερευνήσουμε την αποτελεσματικότητα αυτών των υλικών σε εφαρμογές ανίχνευσης.
(EL)
Zinc is a common material that is often used in modern materials due to its abundance,low price, non-toxicity, material stability and its great ability to alloy with most metallicelements. Zinc-containing oxides and chalcogenides are used extensively in a variety ofapplications. In this thesis, we consider two characteristic families of Zn-based materials:Zn chalcogenides and Zn-doped Mn2NiO4.The Zn-chalcogenide family of materials (ZnS, ZnSe, ZnTe) are direct gap II-VI semicon-ductors which are excellent base materials for optical device technology due to their largegap and optical properties. Mn2NiO4, on the other hand, is a well-known material as atemperature sensor thanks to its negative temperature coefficient of resistance (NTCR)but its alloys with Zn require further investigation. In this thesis, we employ densityfunctional theory (DFT) in the Projector-Augmented Wave (PAW) implementation tocalculate the electronic structure and characteristic properties of these materials.In the first part of the thesis we probe the structural, electronic and optical properties ofthe Zn chalcogenide family of materials using first principles calculations. Even thoughDFT can produce really accurate results for the ground state, it falls short when itcomes to excited state properties like the semiconductor band-gap and the absorptionspectrum. For a more accurate description, we solve the Bethe-Salpeter Equation in theGW approximation in order to include many-body effects in our calculations that arisefrom the electron-hole interactions like excitons.The second part of this thesis revolves around Mn2NiO4and its alloying by the Zn sub-stitution of Mn. We calculate the ground state structure, magnetization and density ofstates of these materials for various concentrations Zn. We then proceed to calculatethe properties of two similar material series of the MnxZnyNizO4type. Although thesealloys have very promising electronic properties, detailed simulations as well as experi-ments are missing. In close collaboration with experimental colleagues, we will unravelthe potential of these materials for sensing applications.
(EN)
University of Crete
