Abstract In this work the effects of defects (oxygen vacancies, cationic inversion) on the structural, electronic and the magnetic response of the spinel ZnFe2O4 (ZFO) are studied by using a density functional theory (DFT) based ab initio method (the Full-Potential Linearized Augmented Plane Waves plus Local Orbitals, LAPW+lo) on the framework of the Generalized Gradient Approximation plus U (GGA+U) level. The changes induced by the defects in the hyperfine interactions at the Fe sites of the structure are also presented. In order to discuss the magnetic ordering and the electronic structure of the system we considered different spin arrangements. We found that, similar to the normal and pristine case, reduced and partially inverted ZFO presents an energy landscape characterized by a large number of metastable states. Our calculations successfully describe the hyperfine properties (isomer shift, magnetic hyperfine field and quadrupole splitting) at the Fe sites that are seen by Mossbauer Spectrocopy (MS) at 4 and 300 K, enabling us to characterize the local structure around Fe atoms. Our LAPW+lo predictions also demonstrate the relevance of both oxygen vacancies and antisites (cationic inversion) in the formation of local ferromagnetic coupling between Fe ions, giving rise to a ferrimagnetic ordering in an otherwise antiferromagnetic compound. This results support conclusions based in experimental results obtained in x-ray magnetic circular dichroism and magnetization measurements performed on zinc ferrites with different cation distributions and oxygen vacancy concentrations reported in the literature.

中文翻译：

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从头算研究缺陷对 ZnFe2O4 的磁响应和结构、电子和超精细特性的作用

摘要 在这项工作中，缺陷（氧空位、阳离子反转）对尖晶石 ZnFe2O4 (ZFO) 的结构、电子和磁响应的影响通过使用基于密度泛函理论 (DFT) 的 ab initio 方法（Full-广义梯度近似加 U (GGA+U) 级别框架上的潜在线性化增强平面波加局部轨道，LAPW+lo)。还介绍了由结构的 Fe 位点处的超精细相互作用中的缺陷引起的变化。为了讨论系统的磁序和电子结构，我们考虑了不同的自旋排列。我们发现，类似于正常和原始情况，减少和部分倒置的 ZFO 呈现出以大量亚稳态为特征的能量景观。我们的计算成功地描述了 Mossbauer 光谱 (MS) 在 4 和 300 K 下看到的 Fe 位点的超精细特性（异构体位移、磁性超精细场和四极分裂），使我们能够表征 Fe 原子周围的局部结构。我们的 LAPW+lo 预测还证明了氧空位和反位点（阳离子反转）在 Fe 离子之间形成局部铁磁耦合中的相关性，从而在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁排序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。Mossbauer Spectrocopy (MS) 在 4 和 300 K 下观察到的 Fe 位点处的超精细磁场和四极分裂），使我们能够表征 Fe 原子周围的局部结构。我们的 LAPW+lo 预测还证明了氧空位和反位点（阳离子反转）在 Fe 离子之间形成局部铁磁耦合中的相关性，从而在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁排序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。Mossbauer Spectrocopy (MS) 在 4 和 300 K 下观察到的 Fe 位点处的超精细磁场和四极分裂），使我们能够表征 Fe 原子周围的局部结构。我们的 LAPW+lo 预测还证明了氧空位和反位点（阳离子反转）在 Fe 离子之间形成局部铁磁耦合中的相关性，从而在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁排序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。使我们能够表征 Fe 原子周围的局部结构。我们的 LAPW+lo 预测还证明了氧空位和反位点（阳离子反转）在 Fe 离子之间形成局部铁磁耦合中的相关性，从而在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁排序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。使我们能够表征 Fe 原子周围的局部结构。我们的 LAPW+lo 预测还证明了氧空位和反位点（阳离子反转）在 Fe 离子之间形成局部铁磁耦合中的相关性，从而在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁排序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁有序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。在其他反铁磁化合物中产生亚铁磁有序。该结果支持基于在文献中报道的对具有不同阳离子分布和氧空位浓度的锌铁氧体进行的 X 射线磁性圆二色性和磁化测量中获得的实验结果的结论。