nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2024-1-24-33nuc-613Research ArticleСтатьиМОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ И УПРУГИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛА Y3Al5O12MODELING OF THE ELECTRONIC AND ELASTIC PROPERTIES OF THE Y3Al5O12 CRYSTALhttps://orcid.org/0000-0003-0662-428XБаубековаГ. М.BaubekovaG. M.

Астана

   

Astana

guldar_87@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0045-7268АхмедовА. С.AkhmedovA.

Астана

Astana

abzal_095@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6903-2084АбуоваФ. У.AbuovaF. U.

Астана

Astana

super.fatima-82@yandex.kzhttps://orcid.org/0000-0003-0049-5093АсылбаевР. Н.AssylbayevR. N.

Павлодар

Pavlodar

ruslanassylbay@yandex.kzhttps://orcid.org/0000-0002-0045-7268АбуоваА. У.AbuovaA. U.

Астана

   

Astana

aisulu-us1980@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0045-7268ТурсумбаеваГ. П.TursumbayevaG. P.

Астана

Astana

gptursumbayeva@gmail.comКабдрахимоваГ. Д.KabdrakhimovaG. D.

Астана

Astana

Евразийский национальный университет имени Л.Н. ГумилеваКазахстанL. N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanПавлодарский педагогический университет имени Ә. МарғұланA. Margulan Pavlodar Pedagogical University202428032024012433Copyright © Баубекова Г.М., Ахмедов А.С., Абуова Ф.У., Асылбаев Р.Н., Абуова А.У., Турсумбаева Г.П., Кабдрахимова Г.Д., 20242024Баубекова Г.М., Ахмедов А.С., Абуова Ф.У., Асылбаев Р.Н., Абуова А.У., Турсумбаева Г.П., Кабдрахимова Г.Д.Baubekova G.M., Akhmedov A., Abuova F.U., Assylbayev R.N., Abuova A.U., Tursumbayeva G.P., Kabdrakhimova G.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/613

В данной научной работе было проведено комплексное исследование иттрий-алюминиевого граната с применением методов компьютерного моделирования. Проанализированы упругие свойства, а также детально исследованы кристаллические и зонные структуры. При помощи современных вычислительных методов проведено детальное изучение механических параметров материала, таких как модуль упругости и коэффициент Пуассона. Методы виртуального моделирования позволяют детально изучить механические характеристики материала. Основное внимание уделяется созданию и верификации компьютерных моделей, точно отражающих упругие свойства кристалла. Были проведены сравнения значений параметров, получаемых при использовании различных гибридных функционалов, с экспериментальными данными. Виртуальные модели позволили не только детально изучить механические характеристики материала, но и предоставили результаты, существенно близкие к реальным экспериментальным данным. Сравнения проводились по следующим параметрам: параметры ячейки, энергия запрещенной зоны, эффективные заряды атомов кристалла, уравнения состояния и упругие свойства. Так же определены уровни погрешности относительно экспериментальных данных. Представлены результаты анализа кристаллической структуры иттрий-алюминиевого граната, полученные с применением различных обменно-корреляционных гибридных функционалов, таких как B3PW, B3LYP, HSE06, PBE. Этот аспект исследования включает в себя анализ параметров кристаллической решетки, распределение атомов в кристалле и зонную структуру, что важно для полного понимания свойств материала. 

In this scientific work, we conducted a comprehensive study of yttrium aluminum garnet using computer modeling methods. Our efforts are focused on the precise analysis of elastic properties, the development of equations of state, as well as a detailed study of crystal and band structures. We conducted a detailed study of the mechanical parameters of the material, such as the modulus of elasticity and the Poisson's ratio, using modern computational methods. Virtual modeling methods allow us to study in detail the mechanical characteristics of the material. The main focus is on the creation and verification of computer models that accurately reflect the elastic properties of the crystal. The values obtained using various hybrid functionals were compared with experimental data. Virtual models allowed not only to study in detail the mechanical characteristics of the material, but also provided results that are significantly close to real experimental data. Comparisons were carried out according to the following parameters: cell parameters, band gap energy, effective charges of crystal atoms, equations of state and elastic properties. Also, the error levels relative to the experimental data are determined. We present the results of the analysis of the crystal structure of yttrium aluminum garnet achieved using various exchange-correlation hybrid functionals such as B3PW, B3LYP, HSE06, PBE. This aspect of the study includes the analysis of the crystal lattice parameters, the distribution of atoms in the crystal and the band structure, which is important for a complete understanding of the properties of the material.

иттрий-алюминиевыйгранаттеория функционала плотностизапрещенная зонаэлементарная ячейкаупругие свойствамоделированиеyttrium-aluminum garnetdensity functional theoryband gapunit cellelastic propertiesmodelingДанное исследование финансировалось Комитетом науки Министерства науки и высшего образова-ния Республики Казахстан (грант № AP19574768 «Экспериментальное и теоретическое исследование радиационной стойкости функциональных керамических и кристаллических материалов для космических применений и ядерной энергетики»).ReferencesFranta D., Mureșan M. G. Wide spectral range optical characterization of yttrium aluminum garnet (YAG) single crystal by the universal dispersion model // Optical Materials Express. – 2021. – Vol. 11. – No. 12. – P. 3930–3945.Franta D., Mureșan M. G. Wide spectral range optical characterization of yttrium aluminum garnet (YAG) single crystal by the universal dispersion model // Optical Materials Express. – 2021. – Vol. 11. – No. 12. – P. 3930–3945.Kalisky Y. Hosts for Solid-State Luminescent Systems // Wide-Gap Luminescent Materials: Theory and Applications. – Boston, MA : Springer US, 2013. – P. 1–11.Kalisky Y. Hosts for Solid-State Luminescent Systems // Wide-Gap Luminescent Materials: Theory and Applications. – Boston, MA : Springer US, 2013. – P. 1–11.Huang Z., Feng J., Pan W. Elastic properties of YAG: First-principles calculation and experimental investigation // Solid state sciences. – 2012. – Vol. 14. – No. 9. – P. 1327–1332.Huang Z., Feng J., Pan W. Elastic properties of YAG: First-principles calculation and experimental investigation // Solid state sciences. – 2012. – Vol. 14. – No. 9. – P. 1327–1332.Chen J. et al. Ab initio study of a charged vacancy in yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2008. – Vol. 20. – No. 32. – P. 325212.Chen J. et al. Ab initio study of a charged vacancy in yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2008. – Vol. 20. – No. 32. – P. 325212.Xu Y. N., Ching W. Y. Electronic structure of yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) // Physical Review B. – 1999. – Vol. 59. – No. 16. – P. 10530.Xu Y. N., Ching W. Y. Electronic structure of yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) // Physical Review B. – 1999. – Vol. 59. – No. 16. – P. 10530.Laun J., Vilela Oliveira D., Bredow T. Consistent gaussian basis sets of double‐and triple‐zeta valence with polarization quality of the fifth period for solid‐state calculations // Journal of Computational Chemistry. – 2018. – Vol. 39. – No. 19. – P. 1285–1290.Laun J., Vilela Oliveira D., Bredow T. Consistent gaussian basis sets of double‐and triple‐zeta valence with polarization quality of the fifth period for solid‐state calculations // Journal of Computational Chemistry. – 2018. – Vol. 39. – No. 19. – P. 1285–1290.Peintinger M. F., Oliveira D. V., Bredow T. Consistent Gaussian basis sets of triple‐zeta valence with polarization quality for solid‐state calculations // Journal of Computational Chemistry. – 2013. – Vol. 34. – No. 6. – P. 451–459.Peintinger M. F., Oliveira D. V., Bredow T. Consistent Gaussian basis sets of triple‐zeta valence with polarization quality for solid‐state calculations // Journal of Computational Chemistry. – 2013. – Vol. 34. – No. 6. – P. 451–459.Tropf W. J. Yttrium Aluminum Garnet (Y3Al5O12) // Handbook of Optical Constants of Solids. – Academic Press, 1997. – P. 963–986.Tropf W. J. Yttrium Aluminum Garnet (Y3Al5O12) // Handbook of Optical Constants of Solids. – Academic Press, 1997. – P. 963–986.Xu Y. N., Ching W. Y. Electronic structure of yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) // Physical Review B. – 1999. – Vol. 59. – No. 16. – P. 10530.Xu Y. N., Ching W. Y. Electronic structure of yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) // Physical Review B. – 1999. – Vol. 59. – No. 16. – P. 10530.Spencer E. G. et al. Microwave elastic properties of nonmagnetic garnets // Journal of Applied Physics. – 1963. – Vol. 34. – No. 10. – P. 3059–3060.Spencer E. G. et al. Microwave elastic properties of nonmagnetic garnets // Journal of Applied Physics. – 1963. – Vol. 34. – No. 10. – P. 3059–3060.Kitaeva V. F., Zharikov E. V., Chistyi I. L. The properties of crystals with garnet structure // Physica status solidi (a). – 1985. – Vol. 92. – No. 2. – P. 475–488.Kitaeva V. F., Zharikov E. V., Chistyi I. L. The properties of crystals with garnet structure // Physica status solidi (a). – 1985. – Vol. 92. – No. 2. – P. 475–488.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.