Studi Karakteristik Elektronik dan Magnetik dari xMnO3
dengan menggunakan Aproksimasi DFT+U
(Study on Electronic and Magnetic Properties of xMnO3 by
DFT+U Approximation)
Nurul Ikhsan1), Suprijadi2), Ely Aprilia
1)Prodi Ilmu Komputasi, Fakultas Informatika,Universitas Telkom
3)
Jl. Telekomunikasi No.1, Bandung, 40257, Indonesia 2)Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Insitut Teknologi Bandung
3)Pusat Instrumentasi dan Otomasi, CITA ITB Jl. Ganesha No. 10, Bandung, 40132, Indonesia
* e-mail: [email protected]
Received : 13 January 2015 Accepted : 17 February 2015
ABSTRACT
Natural products such as propolis, green tea, and corncob are containing Perovskite crystals like LaMnO3 (LMO) have interesting characteristic for
devices application such as colossal magneto resistance effect, half-metallicity, and resistivity change by imposed magnetic field. In order to search spin valve device based on graphene and LMO, the electronic and magnetic properties of LMO with Sr impurity by employing DFT+U method was performed. In this work the strong Coulomb correlation is considerd in order to get correct energy gap near Fermi level. Discussion about the effect of impurity composition in La1-xSrxMnO3 (LSMO) system within its
cubic or orthorhombic unit cell also presented. The LSMO systems has half-metalic ferromagnetic state for 12.5%, 25%, 50% of Sr impurity. System with less Sr impurity have more stable configuration, also greater magnetic moment and energy gap. The biggest total magnetic moment of 3.85 µB was achieved in La0.875Sr0.125MnO3
Keywords: LaSrMnO
configuration.
3, perovskite, DFT+U
PENDAHULUAN
Perkembangan dunia elektronik telah membawa kita ke era teknologi informasi modern seperti saat ini. Kemajuan yang pesat di bidang IT mendorong kebutuhan akan media penyimpan data dengan kapasitas yang
semakin besar. Media penyimpan data konvensional yang ada saat ini sudah
hampir mendekati batas kemampuan maksimalnya,densitas dari penyimpan
data berbasis magnetic tunnel junction (MTJ) konvensional sudah tidak bisa lagi ditingkatkan secara signifikan. Sehingga para peneliti berlomba mencari material baru yang dapat dimanfaatkan untuk menyimpan informasi dari elektron spin dengan densitas data yang lebih tinggi lagi. Perkembangan simulasi nanoteknologi untuk material magnetik yang ada saat ini sudah memungkinkan kita untuk memprediksi material yang mungkin dijadikan sebagai kandidat bahan media penyimpan data masa depan. Penemuan graphene sebagai material dengan siftat nonmagnetik, zero bandgap, memiliki kemampuan transfer elektron yang sangat cepat,
mendorong ketertarikan untuk merancang spin valve device (SVD) berbasis
graphene yang dipadukan dengan kristal perovskite. Diharapkan dapat ditemukan sebuah media penyimpan data mirip MTJ dengan ukuran yang lebih kecil dan densitas yang lebih tinggi.
Secara global penelitian ini ingin mengamati SVD berbasis graphene seperti diilustrasikan pada Gambar 1 dibawah ini:
Gambar 1, Rancangan SVD
LaSrMnO3 merupakan material half metal, yang hanya memiliki satu
orientasi spin, di sisi lain diharapkan orientasi spin dari material ini dapat dirubah dengan memberikan medan elektrik. Salah satu lapisan dari
ferromagnet LaSrMnO3 ini dibuat memiliki orientasi magnetik tetap,
namun lapisan lainya dibiarkan memiliki orientasi bebas (yang dapat dirubah dengan adanya medan elektrik). Perbedaan orientasi spin antara kedua material ferromagnet tersebut menyebabkan elektron sulit untuk
menyebrang (tunneling), sehigga diperoleh konfigurasi high resistance
kondisi low resistance (bit=1). Kondisi ini lah yang dimanfaatkan sebagai media penyimpan informasi.
Kristal perovskite berbasis LaMnO3, memiliki sifat yang sangat menarik
untuk dijadikanperangkat elektronik.Seperti ditemukannya efek collosal
magnetoresistance, bersifat halfmetal bila memiliki keitdakmurnian Sr, serta perubahan sifat elektronik akibat adanya induksi magnet. Di sisi lain, material graphene akan digunakan karena memiliki zero band gap, sertabersifat insulatorpada kondisi nano ribbon [1].Berbeda dengan beberapa penelitian sebelumnya yang mengamati MTJ berbasis Fe/MgO/Fe [2] ataupun FeCo/MgO [3].Pada kesempatan kali ini, karakteristik dari kristal perovskite LMO yang diberi ketidakmurnian Sr dipelajari sebagai bahan acuan untuk penelitian selanjutnya.
METODOLOGI PENELITIAN
Pada percobaan kali ini digunakan perangkat lunak PHASE versi 11 [4], sebuah perangkat lunak yang dikembangkan oleh National Institue for Material Science (NIMS) Jepang. Sebuah institusi yang didirikan oleh pemerintah jepang khusus untuk kemajuan penelitian dan pengembangan di bidang material science.[5]
Simulasi dilakukan secara ab-initio dengan memanfaatkan Density
Functional Theory, yang dikoreksi oleh aproksimasi Hubbard, atau biasa
disebut dengan DFT+U.Hal ini dilakukan karena generalized gradient
approximation (GGA)maupun linear density approximation(LDA) dalam simulasi DFT pada umumnya, tidak dapat memprediksi adanya suatu mott-insulator. LDA/GGA terlalu mendelokalisasi elektron sepanjang kristal, kemudian masing-masing elektron mendapatkan rata-rata dari potensial Coulomb. Untuk highly correlated materials seperti perovskite, interaksi Coulomb repulsif yang sangat besar diantara elektron yang terlokalisasi tidak dapat direpresentasikan dengan baik oleh LDA/GGA. Salah satu solusi dari permasalahan ini adalah dengan menambahkan koreksi Hubbard untuk elektron yang terlokalisasi pada fungsi kerapatan LDA/GGA. Metode ini dikenal juga sebagai DFT+U. [6]
Dalam rangka mempelajari ketidakmurnian pada kristal LaMnO3, 9 model
Tabel 1, Pemodelan sistem xMnO3
Sistem kristal pada Tabel 1 diatas terbagi kedalam 2 kategori yaitu struktur kubik dan ortorombik. Kedua struktur ini merupakan kristal perovskite yang sama, hanya saja digunakan sudut pandang yang berbeda dalam membangun unit selnya. Didalam kesembilan model tersebut, penambahan ketidakmurnian dilakukan untuk dapat mengamati perubahan sifat elektronik dan magnetik dari kristal perovskite LMO.
Model LaMnO3 dengan ukuran 2x2x2 dibuat dengan tujuan untuk membuat
keragaman ketidakmurnian Sr dengan intensitas 0%, 12.5%, dan 25% seperti ditunjukan pada Model 2,3,dan 4 pada Tabel 1 diatas. Dalam unit sel kubik ini penggantian atom La juga dilakukan dengan menggunakan atom Sr dan Fe, seperti ditunjukan pada model 5 dan 6. Pada kasus model 5 sistem memiliki komposisi Sr 100%. Kemudian pada model 6, Fe digunakan karena materialnya yang murah, serta diharapkan
Tahap berikutnya digunakan sistem kristal ortorombik, pada struktur ini
dapat ditemukan lattice distorsions yang tidak ada pada struktur kubik.
Lattice distorsions ini memiliki peranan penting dalam memproduksi
ground-state yang tepat. Kristal yang memiliki struktur ortorombik dapat diamati pada model 7,8,9 di Tabel 1.
Menggunakan kesembilan model ini, simulasi dilakukan untuk mempelajari efek dari ketidakmurnian Sr, kesetabilan sistem, momen magnetik, serta kurva densitas elektron dari sistem.
Adapun parameter yang digunakan saat simulasi adalah sebagai berikut:
Exchange-correlation (Vxc) : GGA+U
Pseudopotential (Vps) : Ultrasoft
Cutoff Wave Function : 30 Ryd
Cutoff Electron Density : 300 Ryd
K-point mesh : 8x8x8
Unit Cell size : 3.916 Å*
*)konstanta unit sel kisi diambil dari hasil eksperimen, untuk struktur ortorombik digunakan unit sel a=5.5367 Å, b=5.7473 Å, c=7.6929 Å. [7]
HASIL DAN PEMBAHASAN
kurva rapat keadaan elektron dari hasil simulasibulk LaMnO3(LMO) pada
model 1 dan 2, ditunjukan pada Gambar 2 berikut:
(a) (b)
Gambar 2, Density of States dari LMO Kubik
Kurva pada Gambar 2.(a) dan 2.(b) diatas merupakan cuplikan dari density of states (DOS) di sekitar fermi level. Dapat diamati bahwa pada keadaan
ground-state bluk kristal LMO memiliki sifat insulating anti-ferromagnetik. Hal ini cocok dengan penemuan hasil eksperimen.[7][8] Dengan energy gap sekitar 1.71 eV, kurva berwarna merah merepresentasikan fungsi kerapatan elektron yang memiliki spin up, sedangkan kurva berwarna biru merepresentasikan spin down. sifat antiferomagnetik dapat diamati dari
kurva yang simetris antara spin up dan spin down, total momen magnetik dari sistem ini adalah 0 µB. Perbedaan yang didapat dari kedua sistem tersebut hanya pada energi gap, pada Gambar 2.(b) energi gap sistem adalah 1.82 ev.
Ketika ketidakmurnian Sr ditambahkan kedalam sistem seperti yang telah dipaparkan pada model no 3 dan 4 pada Tabel 1 diatas, kurva DOS dari sistem berubah seperti yang ditunjukan oleh Gambar 3 berikut:
(a) (b)
Gambar 3, DOS dari LSMO Kubik
Dari Gambar 3.(a) diatas, dapat diamati bahwa kristal perovskite LSMO
dengan kadar ketidakmurnian Sr 12.5% bersifat half metalic, karena hanya
elektron dengan spin-up saja yang bersifat konduktif, sedangkan untuk
elektron dengan polarisasi spin-down ditemukan gap energi sebesar 2.04 eV. Selain itu dapat diamati bahwa densitas dari kerapatan elektron dengan
spin-up dan spin-down memiliki kerapatan yang berbeda, dilengkapi hasil
perhitungan yang menyatakan bahwa sistem memiliki momen magnetik total sebesar 31 µB, atau ekivalen dengan 3.87 µB per atom magnetik. Ketika kadar dari ketidakmurnian Sr ditambahkan, terlihat pada Gambar
3.(b) gap energi dari spin minoritas (spin down) mengalami penurunan
menjadi 1.82 eV, sedangkan momen magnetiknya menjadi 30 µB, atau sekitar 3.75 µB per atom magnetiknya. Secara keseluruhan, LSMO masih bersifat half-metalic ferromagnetik.
Penggantian atom La dengan Sr maupun Fe, seperti yang ditunjukan model 5 dan 6, memberikan perubahan pada kurva DOS sebagai berikut:
(a) (b) Gambar 4, kurva DOS pada SMO dan FMO
Sistem SrMnO3
Sedangkan pada saat dilakukan penggantian dengan menggunakan atom Fe, kristal perovskite FeMnO
(SMO) pada Gambar 4.(a) masih bersifat half-metalik,
namun dengan energi gap yang lebih kecil pada minority spin-nya, sekitar
1.27 eV. Sistem ini memiliki total momen magnetik sebesar 3.05 µB, sehingga masih dapat dikatakan sebagai ferromagnet.
3
Pada sistem dengan unit sel ortorombik seperti ditunjukan pada model 7,8,9 diperoleh hasil simulasi sebagai berikut:
(FMO) bersifat konduktor seperti terlihat pada Gambar 4.(b), dengan total momen magnetik dari sistem sebesar -1 µB.
(a)
(b) (c)
Hasil simulasi seperti Gambar 5.(a) diatas, menunjukan pada unit sel
ortorombik ditemukan bahwa LMO pada keadaan ground state memiliki
sifat half metalic ferromagnetic dengan energi gap pada minority spin
sebesar 2.04 eV dan total momen magnetik sebesar 16 µB, atau ekivalen dengan 4 µB per atom magnetik.
Pada sistem dengan ketidakmurnian Sr 25% (Gambar 5.(b)), energi gap pada minority spin semakin menurun menjadi 1.63 eV, begitupula dengan total momen magnetik, nilainya menurun menjadi 15 µB (3.75 µB per atom magnetik). Seiring dengan peningkatan ketidakmurnian Sr (Gambar 5.(c)), pada kondisi 50% energi gap menurun (menjadi 1.17 eV), dan total momen magnetik pun menurun (menjadi 14 µB).
Secara keseluruhan, percobaan dari berbagai kristal perovskite yang telah dilakukan diangkum dalam Tabel berikut:
Tabel 2, Perbandingan Krakteristik Elektronik dan Magnetik dari
xMnO Sistem 3 Gap Energi (eV) Total Energi (Hartree) Momen Magnetik (µB) LaMnO3 (Kubik) 1.71* -95.71175714 0 LaMnO3 (K 2x2x2) 1.82* -95.71350217 0 La0.875Sr0.125MnO3 1.95 -94.12945005 3.87 La0.75Sr0.25MnO3 1.68 -92.44364585 3.75 SrMnO3 1.27 -82.29679418 3.05 FeMnO3 0 -84.85759419 -1.00 LaMnO3 (Ortorombik) 2.04 -95.81181438 4.00 La0.75Sr0.25MnO3 (O) 1.63 -92.4419768 3.75 La0.5Sr0.5MnO3 (O) 1.17 -89.063152 3.50
*) gap terjadi pada kedua orientasi spin (up dan down).
Untuk sistem berbasis La
1-xSr
xMnO
3pada Tabel 2 diatas, dapat
diamati bahwa sistem dengan kadar Sr paling rendah memiliki
kestabilan yang lebih tinggi. Kemudian semakin tinggi konsentrasi
Sr dalam sistem, momen magnetik akan semakin rendah. Dapat
diamati juga, bahwa energi gap dari sistem akan semakin rendah
seiring penambahan kadar ketidakmurnian Sr.
KESIMPULAN
Simulasi DFT+U pada kristal perovskite xMnO3 telah berhasil dilakukan,
diantaranya simulasi mampu memprediksi sifat dari LaMnO3
Hasil simulasi menunjukan untuk keluarga LSMO, konfigurasi La
.
0.875Sr0.125MnO3
Seiring dengan peningkatan ketidakmurnian Sr, sistem cenderung lebih tidak stabil dan mengalami penurunan energi gap pada minority spin, diikuti pula dengan penurunan momen magnetik.
merupakan yang paling stabil, material ini bersifat half-metal ferromagnet, dengan moment magnetik 3.85 µB per atom. Material ini merupakan kandidat yang paling menarik untuk dimanfaatkan pada studi SVD selanjutnya.
REFERENSI
[1] Han, M. Y. et al. (2007). Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons. Phys.Rev. Let. 98, 206805.
[2] M. Tsujikawa, S. Haraguchi, T. Oda, Y. Miura, and M. Shirai (2011). A comparative ab initio study on electric-field dependence of magnetic anisotropy in MgO/Fe/Pt and MgO/Fe/Au films. J. Appl. Phys., 109, 07C107.
[3] N. Ikhsan, Y. Taguchi, M. Obata, M. Nakamura, Suprijadi, T.
Oda. Magnetic, structural, and electronic prop erties of Co doped Fe/MgO interface. International Symposium on Computational Science. Kanazawa. 2013.
[4] https://azuma.nims.go.jp/cms1, diakses tanggal 1 Februari 2015 [5] http://www.nims.go.jp/eng/nims/index.html, diakses tanggal 1 Februari 2015.
[6] Hubbard, J. (1963). Electron Correlations in Narrow Energy Bands. Proceedings of the Royal Society of London, 276 (1365): 238–257. [7]J. R. Carvaja, M. Hennion, F. Moussa, A.H. Moudden, L. Pinsard, and A. Revcolevschi (1998). Neutron-diffraction study of the Jahn-Teller transition in stoichiometric LaMnO3. Phys.Rev. B, 57, R3189.
[8] J. A. Alonso, M. J. Martinez-Lope, M. T. Casais and A. Munoz (1997). Magnetic Structures Of LaMnO3+ Perovskites. Solid State
