MgX2Se4 (X = Er, Ho, Tm, Y, Yb) spinel bileşiklerin yapısal, mekanik, elektronik, optik ve termodinamik özelliklerinin ab-initio yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, MgX2Se4 (X= Er, Ho, Tm, Y, Yb) spinel bileşiklerinin yapısal, elastik, elektronik, optik ve termodinamik özellikleri yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) kapsamında incelenmiştir. Yapısal, elektronik ve optik özelliklerin hesaplanmasında GGA-PBE ve mBJLDA değiş-tokuş-korelasyon fonksiyonelleri birlikte kullanılmıştır. Geometrik optimizasyon sonucunda elde edilen örgü parametrelerinin literatürde rapor edilen verilerle iyi uyum gösterdiği belirlenmiştir. Hesaplanan elastik sabitlerin Born kararlılık kriterlerini sağlaması, söz konusu bileşiklerin mekanik açıdan kararlı olduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen elastik modüller, bu malzemelerin orta derecede sertlik ve süneklik özellikleri sergilediğine işaret etmektedir. Elektronik bant yapısı analizleri, MgX2Se4 (X=Er, Ho, Tm, Y) bileşiklerinin doğrudan bant aralığına sahip yarıiletken karakterde olduğunu göstermekte iken MgYb2Se4 bileşiğin ise yarı-metal karakterde olduğunu göstermektedir. Kısmi yoğunluk durumları (PDOS) incelemeleri, valans bandı maksimumu ile iletim bandı minimumunda Se-p ve X-d orbitallerinin baskın katkı sağladığını ortaya koymuştur. Optik özellikler kapsamında, dielektrik fonksiyonun reel ve sanal bileşenleri ile diğer optik parametreler hesaplanmış ve ayrıntılı biçimde değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, bu bileşiklerin özellikle görünür ve ultraviyole bölgede belirgin optik yanıtlar verdiğini göstermektedir. Termodinamik analizler ise söz konusu malzemelerin geniş bir sıcaklık aralığında kararlı olduğunu ve Debye modeli ile uyumlu bir davranış sergilediğini ortaya koymaktadır.

In this study, the structural, mechanical, electronic, optical, and thermodynamic properties of MgX2Se4 (X=Er, Ho, Tm, Y, Yb) spinel compounds were systematically investigated within the framework of density functional theory (DFT). The electronic and optical properties were calculated using both the GGA-PBE and mBJLDA exchange–correlation functionals. The optimized lattice parameters obtained from the structural optimization were found to be in good agreement with previously reported data in the literature. The calculated elastic constants satisfy the Born stability criteria, indicating that these compounds are mechanically stable. The evaluated elastic moduli suggest that the materials exhibit moderate hardness and ductile behavior. Electronic band structure analyses indicate that the MgX2Se4 (X=Er, Ho, Tm, Y) compounds exhibit a direct band gap, confirming their semiconducting nature, whereas the MgYb2Se4 compound displays a semimetallic character. Within the scope of optical properties, the real and imaginary parts of the dielectric function, along with other optical parameters, were computed and comprehensively analyzed. The findings demonstrate that these compounds exhibit significant optical responses, particularly in the visible and ultraviolet regions. Thermodynamic analyses further reveal that the studied materials remain stable over a wide temperature range and exhibit behavior consistent with the Debye model.