Benmalek Aida | Université 8 Mai 1945 Guelma

This study explores, using ab initio calculations based on the FP-LAPW method and density functional theory (DFT), the impact of magnesium (Mg) doping and co-doping (Mg-Ti and Mg-Ce) on the structural, electronic, magnetic, optical, and thermoelectric properties of binary oxides CeO₂ and TiO₂. The objective is to understand and modulate the properties of these wide bandgap semiconductor materials for advanced applications. The calculations reveal that doping and co-doping induce significant variations in the lattice parameters, which directly impact the intrinsic properties of the studied compounds. The optimized structural parameters confirm the stability of the ferromagnetic phases, and the formation of the compounds is thermodynamically favorable, as evidenced by the calculated formation energies. Furthermore, a half-metallic character with an indirect bandgap (spin-up) for doped and co-doped CeO₂, and semiconducting properties for TiO₂ are obtained. The total magnetic moment remains constant at 2μB, regardless of the type of doping (simple or co-doping). Doping significantly improves the optical properties, particularly the absorption coefficient, with an increase in absorption peaks in the visible and UV ranges. Additionally, the thermoelectric properties indicate a high potential with a significant ZT coefficient, suggesting promising applications in spintronics and optoelectronics.

Abstract (Ar)

Abstract (Ar):

تستكشف هذه الدراسة، باستخدام حسابات أولية مبنية ab-initioعلى طريقة FP-LAPW ونظرية دالة الكثافة (DFT)، تأثير تطعيم المغنيزيوم (Mg) والتطعيم المشترك (Mg-Ti) و (Mg-Ce) على الخصائص الهيكلية والإلكترونية والمغناطيسية والبصرية والحرارية الكهربائية للأكاسيد الثنائية CeO₂ و. TiO₂ الهدف هو فهم وتعديل خصائص هذه المواد شبه الموصلة ذات الفجوة النطاقية الواسعة للتطبيقات المتقدمة. تكشف الحسابات أن التطعيم الوحيد والتطعيم المشترك يحدثان تغيرات كبيرة في معلمات الشبكة، مما يؤثر بشكل مباشر على الخصائص الجوهرية للمركبات المدروسة. تؤكد المعلمات الهيكلية المحسنة استقرار الأطوار المغناطيسية الحديدية، وتكوين المركبات مفضل ديناميكيًا حراريًا، كما يتضح من طاقات التكوين المحسوبة. علاوة على ذلك، يتم الحصول على طابع شبه معدني مع فجوة نطاقية غير مباشرة (دوران لأعلى) لـ CeO₂ المطعم والمطعم بشكل مشترك، وخصائص شبه موصلة لـ TiO₂. يبقى العزم المغناطيسي الكلي ثابتًا عند μB2، بغض النظر عن نوع التطعيم (بسيط أو مشترك). يحسن التطعيم بشكل كبير الخصائص البصرية، وخاصة معامل الامتصاص، مع زيادة في قمم الامتصاص في نطاقات الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك، تشير الخصائص الحرارية الكهربائية إلى إمكانات عالية مع معامل ZT كبير، مما يشير إلى تطبيقات واعدة في علم الإلكترونيات الدورانية(spintronique) والبصريات الإلكترونية. (Optoelectronic).

Abstract (Fr)

Abstract (Fr):

Cette étude explore, à partir de calculs ab initio basés sur la méthode FP-LAPW et la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), l'impact du dopage au magnésium (Mg) et du co-dopage (Mg-Ti et Mg-Ce) sur les propriétés structurales, électroniques, magnétiques, optiques et thermoélectriques des oxydes binaires CeO₂ et TiO₂. L'objectif est de comprendre et de moduler les propriétés de ces matériaux semi-conducteurs à large bande interdite pour des applications avancées. Les calculs révèlent que le dopage et le co-dopage induisent des variations significatives des paramètres de réseau, ce qui impacte directement les propriétés intrinsèques des composés étudiés. Les paramètres structuraux optimisés confirment la stabilité des phases ferromagnétiques et la formation des composés est thermodynamiquement favorable, comme l'attestent les énergies de formation calculées. De plus, un caractère demi-métallique avec une bande interdite indirecte (spin-up) pour le CeO₂ dopé et co-dopé, et des propriétés semi-conductrices pour le TiO₂ sont obtenus. Le moment magnétique total reste constant à 2μB, indépendamment du type de dopage (simple ou co-dopage). Le dopage améliore significativement les propriétés optiques, notamment le coefficient d'absorption, avec une augmentation des pics d'absorption dans les domaines visible et UV. De plus, les propriétés thermoélectriques indiquent un potentiel élevé avec un coefficient ZT significatif, suggérant des applications prometteuses en spintronique et optoélectronique.

Scientific publications

Scientific publications :

Scientific publications:

Benmalek, A., Doghmane, M., & Chettibi, S. (2024). Promising doped and co-doped CeO2 and TiO2 oxides for optoelectronic applications: First principles approach. Optik, 300, 171613.

Scientific conferences

Scientific conferences:

communication international:

1- 2nd International Conference on Computational & Applied Physics - ICCAP 2023t Sudy of electronic, thermoelectric and optical properties of 3d orbitals doped ceria: Based on First Principles.Benmalek.Aida, Doughmane Malika, Chettibi Sabah.

2- 1^st International Conference on Applied Chemistry and Renewable Energy.Algeria. ACREIS-2022. DFT analysis of the titanium substitution effect on the half-metallic ferromagnetic properties of MgO alloys for spintronic applications. Benmalek.Aida, Doughmane Malika, Chettibi Sabah.

3- International Forum on Condensed Matter Physics held during February 06, 2023 as a Online Conference .Hong Kong . Theoretical design of rutile TiO2 on structural, electronic and optic properties: effect of cationic substitutions ”.Benmalek.Aida.

communication national:

1- at the National Conference on Materials Physics and Fluids Oran 2022, AIgeria. (CPMF Oran-2022). Doping and co-Doping Impact on the Structural Electronic and Magnetic properties of Ce02 : based onfirst principle calculation. Benmalek.Aida, Chettibi Sabah.

2- National Seminar of Physics, Chemistry, and Their Applications Webinar (NSPCA'23). Optoelectronic feature of d-orbital doped ceria using modified TB-mBJ : a theoretical insights .Benmalek.Aida, Doughmane Malika, Chettibi Sabah.

3- 3rd National Conference on Applied Physics & Chemistry (3rdNCAPC23) . Comparative study by the DFT method between TB-mBJ and GGA+U on structural, electronic, and optic properties of cerium dioxide: effect of oxygen Benmalek.Aida, Doughmane Malika, Chettibi Sabah.