Моделирование дефектных состояний и роли 4f-электронов в Gd₃Ga₅O₁₂ методами DFT

Abstract

Гадолиний-галлиевый гранат (Gd₃Ga₅O₁₂, GGG) представляет собой важный синтетический кристалл с широкой областью применения в лазерных системах, магнитооптике и радиационно-стойкой электронике. Фундаментальное понимание его электронной структуры и дефектных состояний необходимо для оптимизации оптических и функциональных свойств. Целью настоящей работы является исследование влияния различных видов дефектов и роли 4f-электронов иона Gd³⁺ на формирование зонной структуры и оптического отклика GGG в рамках современного теоретического метода – теории функционала плотности (ТФП, DFT). Квантово-механические расчёты выполнены с помощью программы VASP с использованием различных обменно-корреляционных функционалов: GGA-PBE, SCAN, mBJ и гибридного HSE06. Сравнительный анализ показал, что учёт 4f-электронов Gd³⁺ при моделировании оказывает значительное влияние на электронную структуру GGG: их включение приводит к формированию локализованных уровней как в валентной зоне, так и в зоне проводимости. Установлено, что заряженные вакансии [GGG]Vₒ²⁺ смещают уровень Ферми, не создавая дефектных уровней, тогда как нейтральные вакансии [GGG]Vₒ⁰ формируют локализованные состояния внутри запрещённой зоны, что снижает прозрачность и ухудшает оптические характеристики кристалла. Полученные результаты имеют фундаментальное и прикладное значение. С научной точки зрения, они уточняют роль сильно коррелированных 4f-электронов в гранатах и механизм влияния кислородных дефектов. С практической – дают основу для прогнозирования радиационной стойкости и разработки оптических материалов нового поколения. Настоящая работа вносит вклад в развитие физики дефектных состояний и теоретическое моделирование функциональных кристаллов.