Journal of the Korean Magnetics Society (한국자기학회지)

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Spin-orbit Coupling Effect on the Structural Optimization: Bismuth Telluride in First-principles

스핀-궤도 각운동량 상호작용의 구조 최적화에 대한 효과: 비스무스 텔루라이드의 제일원리 계산의 경우

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  • 김미영 (숙명여자대학교 나노물리학과)
  • Received : 2012.11.21
  • Accepted : 2013.02.05
  • Published : 2013.02.28
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Abstract

Spin-orbit coupling (SOC) effect is known to be the physical origin for various exotic magnetic phenomena in the low-dimensional systems. Recently, SOC also draws lots of attention in the study on magnetically doped thermoelectric alloys to determine their properties as the thermoelectric application as well as the topological insulator via the exact electronic structures determination near the Fermi level. In this research, aiming to investigate the spin-orbit coupling effect on the structural properties such as the lattice constants and the bulk modulus of the most widely investigated thermoelectric host material, $Bi_2Te_3$, we carried out the first-principles electronic structure calculation using the all-electron FLAPW (full-potential linearized augmented plane-wave) method. Employing both the local density approximation (LDA) and the generalized gradient approximation (GGA), the structural optimization is achieved by varying the in-plane lattice constant fixing the perpendicular lattice constant and vice versa, to find that the SOC effect increases the equilibrium lattices slightly in both directions while it markedly reduces the bulk modulus value implying the strong orientational dependence, which are attributed to the material's intrinsic structural anisotropy.

스핀 궤도 각운동량의 상호작용은 저차원계 자성물질에서 나타나는 여러 가지 특이한 현상들의 물리적 원인을 제공하는 것으로 알려져 있다. 최근 들어 자성 도핑을 이용한 열전 물질의 합금에 대한 관심이 높아지면서, 열전 및 위상 절연체(Topological Insulator) 등의 물리적 성질 결정에 중요한 역할을 하는 페르미 에너지 준위 부근에서의 전자구조에 대한 스핀 궤도 각운동량의 효과 연구가 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 가장 일반적인 열전 호스트 물질인 비스무스 텔루라이드의 격자 상수 및 부피 팽창률에 대한 스핀 궤도 각운동량 상호작용의 효과를 연구하기 위하여 모든 전자(all-electron) FLAPW(full-potential linearized augmented plane wave) 방법을 이용하여 전자구조 계산을 수행하였다. 국소밀도 근사법 및 일반 기울기 보정법의 서로 다른 교환상호작용 퍼텐셜을 채용하고, 수평격자 및 수직격자를 분리하여 변화시키는 구조최적화 계산을 통하여, 스핀-궤도 각운동량 상호작용의 효과가 격자상수 평형 값을 약하게 증가시키는 반면, 부피탄성률을 크게 감소시키는 영향을 주며, 그 효과는 구조적 이방성이 뚜렷한 비스무스 텔루라이드의 특성에 의하여 격자방향에 대한 의존성을 보인다는 것을 확인했다.

Keywords

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