Tayeb halais Wissem | Université 8 Mai 1945 Guelma

Ab initio study of mono-doped and co-doped magnesium oxide, structural, electronic, optical and magnetic properties : spintronic and optoelectronics applications.

Thesis title (Ar)

Doctoral thesis title (Ar):

: دراسة الأب-إنيشيو للخصائص الهيكلية، الالكترونية، البصرية والمغناطيسية لأكسيد المغنسيوم الأحادي والثنائي التطعيم: تطبيقات في السبينترونيك والالكترونيات البصرية.

Thesis title (Fr)

Doctoral thesis title (Fr):

Etudе аb initiо dеs prоpriétés structurаlеs, élесtrоniquеs, орtiquеs еt mаgnétiques dе l'оxуdе de magnésium mono-dopé et co-dopé : Applications en spintronique et optoélectronique

keywords

Keywords:

MgO, spintronics, doping, co-doping, transition metals, magnetic properties, optical properties, Wien2k code, rare earth co-doping.

keywords (Ar)

Key words (Ar):

، سبينترونيك، التطعيم، التطعيم الثنائي، المعادن الانتقالية، الخواص المغناطيسية، الخواص البصرية، MgO , برنامج Wien2k , التطعيم الثنائي للأتربة النادرة،

keywords (Fr)

Key words (Fr):

MgO, spintronique, dopage, co-dopage, métaux de transitions, propriétés magnétiques, propriétés optiques, code Wien2k, co-dopage aux terres rares.

In this thesis, the physical properties of the alkaline earth oxide, MgO, doped with transition metals and co-doped with a rare earth element (Eu) and a transition metal are studied. The approach utilized is the density functional theory, with the use of the full-potential linearized augmented plane waves (FP-LAPW) method. This method is implemented in the Wien2k solid state simulation code. The calculations are performed using the GGA and GGA+mBJ approximations for the exchange and correlation potential. This methodological approach allows us to obtain accurate results for the structural, electronic, magnetic and optical properties of doped and co-doped MgO.

In the first section, a thorough study is conducted on MgO oxide using the main approximations incorporated in the code (LDA, GGA). This approach aims to compare and validate the results obtained against experimental data. Then, doping MgO with 12.5% of Ni, Pd, or Pt in the NaCl structure was studied using the GGA-PBEsol approximation. The effect of Z and d electrons on the properties of the doped compounds was analyzed. The X_0.125Mg_0.875O (x=Ni, Pd, Pt) compounds were found to be semiconductors with a narrower band gap than MgO. They also had a magnetic moment of 2 μ_B and a high absorption in the low UV regions, making them promising for optical applications

In a second phase of the study, the effect of doping MgO with Cu, Ag, or Au at concentrations of 3.125%, 6.25%, 12.5%, and 25% was studied. The results showed that the nature of the doped compounds changed with concentration. At 25%, the compounds were non-magnetic conductors. At low concentrations, they were ferromagnetic semi-metals with a magnetic moment of 1 μ_B and a strong absorption in the UV.

The last part of the study, MgO was co-doped with Eu and Cu, Ag, or Au at a concentration of 12.5% for each element. The co-doped compounds were found to have a narrower band gap and a preserved semi-metallic character compared to the pure and doped oxides. The optical properties of the co-doped compounds were also improved.

This process, doping and co-doping of MgO with Eu and transition metals, opens the way to a wide range of potential applications in the fields of optoelectronics, spintronics and magnetic data storage.

Abstract (Ar)

Abstract (Ar):

تدرس هذه الأطروحة الخصائص الفيزيائية لأكسيد المغنيسيوم (MgO) أحادي التطعيم بالمعادن الانتقالية والثنائي التطعيم مع عنصر من عناصر الأرض النادرة (Eu) وعنصر انتقالي آخر. تُستخدم نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى جانب طريقة الموجات المستوية المعززة الخطية ذات الإمكانات الكاملة (FP-LAPW) لمحاكاة ودراسة هذه الخصائص. يتم تنفيذ هذه الطريقة باستخدام برنامج Wien2k لحساب محاكاة المواد الصلبة. تجرى الحسابات باستخدام تقريبي GGA وGGA+mBJ لإمكانية التبادل والارتباط. تتيح هذه الطريقة الحصول على نتائج دقيقة للخواص البنيوية والإلكترونية والمغناطيسية والبصرية لأكسيد المغنيسيوم أحادي وثنائي التطعيم.

في القسم الأول، تم دراسة شاملة على أكسيد MgO باستخدام التقريبات الرئيسية المدرجة في البرنامج (LDA، GGA). ويهدف هذا النهج إلى مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها مقابل القيم التجريبية والتحقق من صحتها. بعد ذلك، تمت دراسة تطعيم MgO بنسبة 12.5% من Ni أو Pd أو Pt في بنية NaCl باستخدام تقريب GGA PBEsol. تم دراسة تأثير الإلكترونات Z و d على خواص المركبات المخدرة. تم العثور على مركبات X_0.125Mg₀.₈₇₅O مع (x=Ni, Pd, Pt) لتكون أشباه موصلات ذات فجوة نطاق أضيق من MgO. كما أنها تتمتع بعزم مغناطيسي قدره 2 μ_B وامتصاص عالي في المناطق ذات الأشعة فوق البنفسجية المنخفضة، مما يجعلها واعدة للتطبيقات البصرية.

المرحلة الثانية من الدراسة: تم فيها دراسة تأثير تطعيم أكسيد المغنيسيوم (MgO) بالنحاس أو الفضة أو الذهب بنسب تركيز مختلفة (3.125% و6.25% و12.5% و25%). أظهرت النتائج أن طبيعة المركبات تتغير وفقًا للتركيز. فعند نسبة تركيز 25%، أصبحت المركبات موصلات غير مغناطيسية. أما في التركيزات المنخفضة، فقد تحولت إلى مركبات نصف معدنية مغناطيسية حديدية ذات عزم مغناطيسي مقداره 1 μ_B وامتصاص قوي للأشعة فوق البنفسجية.

ركّز القسم الأخير من الدراسة على التطعيم المزدوج لأكسيد المغنيسيوم باستخدام (Eu) مع النحاس أو الفضة أو الذهب، بتركيز 12.5% لكل عنصر. لوحظ أن المركبات ذات التطعيم المزدوج لديها فجوة نطاق أضيق وحافظت على خواص نصف معدنية مغناطيسية بالمقارنة بالمركبات المؤكسدة النقية وأحادية التطعيم. كما تحسنت الخصائص البصرية للمركبات ذات التطعيم المزدوج.

تفتح عملية تطعيم الاحادي لأكسيد المغنيسيوم وتطعيمه المزدوج مع (Eu) ومعادن الانتقال المجال أمام مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة في مجالات الإلكترونيات البصرية وسبينترونيك وتخزين البيانات المغناطيسية.

Abstract (Fr)

Abstract (Fr):

Dans le cadre de cette thèse, les propriétés physiques de l’oxyde alcalino-terreux, MgO, mono-dopé avec des métaux de transition et co-dopé avec un élément des terre rare (Eu) et un métal de transition sont étudiées. L'approche employée est la théorie de la fonctionnelle de la densité, avec l'utilisation de la méthode des ondes planes augmentées linéarisées à plein potentiel (FP-LAPW). Cette méthode est implémentée dans le code de simulation des solides Wien2k. Les calculs sont réalisés à l’aide, des approximations GGA et GGA+mBJ, pour le potentiel d’échange et de corrélations. Grâce à cette démarche méthodologique, des résultats précis des propriétés structurales, électroniques, magnétiques et optiques de MgO dopé et co-dopés sont obtenus.

Dans la première section, une étude approfondie est menée sur l’oxyde MgO en utilisant les approximations principales intégrées dans le code (LDA, GGA). Cette démarche vise à comparer et valider les résultats obtenus par rapport aux données expérimentales. Par la suite, l’approximation GGA-PBEsol est adoptée pour étudier l’effet du dopage de MgO par des métaux de transition (Ni, Pd et Pt) à 12,5% de concentration dans la structure NaCl. L'influence du numéro atomique (Z) et du nombre d'électrons (d), sur les propriétés des composés dopés est analysée. X_0.125Mg_0.875O (x=Ni, Pd, Pt) présentent un comportement semi-conducteur dans les deux directions de spin (up et down) avec un gap énergétique plus étroit que la matrice hôte et un moment magnétique de 2 μ_B indiquant un comportement ferromagnétique. Ils montrent également une absorption élevée dans les régions basses UV par rapport au composé pur, ce qui les rend prometteurs pour des applications optiques.

Dans une seconde phase de l'étude, l'impact de la variation de la concentration (3.125%, 6.25%, 12.5%, et 25%), en corrélation avec le changement du numéro atomique (Z) et de la configuration électronique (d) des métaux de transition TM_xMg_1-xO (Cu, Ag, Au) est examiné. L'étude montre une transition de nature avec la concentration. A 25%, les composés dopés sont conducteurs non magnétiques. A faibles concentrations, ils deviennent semi-métalliques ferromagnétique (1 μ_B) avec une forte absorption dans l’UV.

La dernière partie de l'étude se concentre sur le co-dopage de MgO avec les mêmes métaux de transition (Cu, Ag, Au), en introduisant un élément des terres rare (Eu) à une concentration fixe (12,5 % pour Eu et 12,5 % pour TM). Ce co-dopage a conduit à un rétrécissement plus important de la bande interdite et à la préservation du caractère semi-métallique de tous les composés. De plus, les propriétés optiques sont améliorées par rapport à l'oxyde pur et dopé.

Ce procédé ouvre la voie à un large éventail d'applications dans les domaines de l'optoélectronique, de la spintronique et du stockage de données magnétiques.

Scientific publications

Scientific publications :

Scientific publications

T Halais, W., Bouhlala, A., Doghmane, M. et al. Exploration of structural stability, electronic, and magnetic properties of silver doped MgO at low concentration using the modified Becke and Johnson approach for spintronic applications. Eur. Phys. J. B 96, 75 (2023). https://link.springer.com/article/10.1140/epjb/s10051-023-00538-7

Bouhlala, A., Halais, W.T., Doghmane, M. et al. Silver impurities effects on CeO2 structural, electronic, magnetic, and optical properties: ab initio study. Eur. Phys. J. B 95, 174 (2022). https://link.springer.com/article/10.1140/epjb/s10051-022-00437-3

Wissem Tayeb Halais, Malika Doghmane, Aicha Bouhlala, and Sabah Chettibi. Structural, magnetic, and optoelectronic properties of rock salt MgO co-doped with Eu-TM (TM = Cu, Ag, and Au) for spintronic and UV detector applications: SP-DFT investigations 2024, Modern Physics Letters B. https://doi.org/10.1142/S021798492450180X

Tayeb Halais, Wissem, and Sabah Chettibi. "First principle investigation of Niobium (Nb) doped MgO." Materials Today: Proceedings 51 (2022): 2091-2095. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214785321080251

Scientific conferences

Scientific conferences:

Scientific conferences

Communication national

- « Study of the effect of the Gold transition metal on magnesium oxide: theoretical investigation »; National Conference on Mechanics and Maintenance, 15 - 16 November 2021, Boumerdes – Algeria; Tayeb Halais Wissem, CHETTIBI Sabah

- « Full potential investigation of the structural and electronic properties of Ni doping effects in Rock salt MgO »; 1st National Conference on the Physics of Materials and their Applications CNPMA’2021, December 4-5, 2021, Algiers, Algeria, Tayeb Halais Wissem, CHETTIBI Sabah

Communication International

- « Study with GGA-mBJ and LDA-mBJ of electronic, structural and elastic properties of MgO oxide »; 1^st International Conference on Sustainable Energy and Advanced Materials IC-SEAM’21 April 21-22, 2021, Ouargla, ALGERIA, Tayeb Halais Wissem, CHETTIBI Sabah

- « Ab initio calculations of structural and electronic properties of tungsten doped rock-salt MgO »; 2^nd International Seminar on Material Sciences (Physics and Chemistry) 17-18 September, 2021 ; Tayeb Halais Wissem, CHETTIBI Sabah

- « Spin orbit studies of Electronic Structural and Elastic properties of MgO »; The first International Conference on Energy, Thermofluids and Materials Engineering, ICETME 2021, from 18 to 20 December, 2021, Tayeb Halais Wissem, CHETTIBI Sabah

- « Computational study of doped MgO with 4d transition metal for spintronic devices »; INTERNATIONAL CONGRESS OF ENGINEERING AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT ICESD 2022 on 27-29 December 2022 in Monastir, Tunisia, Tayeb Halais Wissem, Nozha Elahlem Doghmane, Oumayma Hassayoun, Chettibi Sabah