대표적 열전물질인 비스무스 텔루라이드에 자성원자를 도핑한 합금에 대한 구조 및 전자적 그리고 자기적 성질에 관한 연구는 고효율 열전물질의 개발이라는 목적뿐만 아니라 특이한 자기적 상호작용 규명 및 위상절연체 분야에서도 큰 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 희토류 원자로서 매우 국소화된 f 전자를 갖는 Gd이 Bi을 치환하여 도핑된 비스무스 텔루라이드 합금의 자성 안정성을 밀도범함수론(Density Functional Theory)에 입각하여 제일원리적으로 연구하기 위하여 모든 전자(all-electron) FLAPW
(full-potential linearized augmented plane-wave) 방법을 이용하여 전자구조 계산을 수행하였다. 전자간 교환-상관 상호작용은 일반기울기 근사법(Generalized Gradient Approximation)을 도입하여 계산하였으며, 국소화된 f 전자를 기술하는 데 필요한 Hubbard+U 보정과 스핀-궤도 각운동량 상호작용은 제2 변분법적 방법을 이용하여 고려하였다. 계산 결과, 강자성 안정성을 보이는 Gd 덩치계와 다르게 이 합금은 강자성과 반강자성의 총에너지 차이가 ~1 meV/Gd 정도의 아주 작은 값으로 얻어져서, 그 자성 안정
성은 결함이나 strain 등에 의한 구조변화에 민감하게 의존하여 변할 수 있음을 알 수 있었다. 특히 Gd 스핀자기모멘트는 덩치에서의 값에 비해 감소하였고, Gd에 가장 가까운 Te에 유도 자기모멘트가 형성되는 것으로 미루어 Te를 매개로 한 자성상호작용이 자성 안정성을 결정하는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 예측할 수 있었다.

Determination of the structural, electronic, and magnetic properties of the magnetically doped bismuth-telluride alloys are drawing lots of interest in the fields of the thermoelectric application as well as the research on magnetic interaction and topological insulator. In this study, we performed the first-principles electronic structure calculations within the density functional theory for the Gd doped bismuth-tellurides
in order to study its magnetic properties and magnetic phase stability. All-electron FLAPW (full-potential linearized augmented planewave) method is employed and the exchange correlation potentials of electrons are treated within the generalized gradient approximation. In order to describe the localized f-electrons of Gd properly, the Hubbard +U term and the spin-orbit coupling of the valence electrons are
included in the second variational way. The results show that while the Gd bulk prefers a ferromagnetic phase, the total energy differences between the ferromagnetic and the antiferromagnetic phases of the Gd doped bismuth-telluride alloys are about ~1meV/Gd, indicating that the stable magnetic phase may be changed sensitively depending on the structural change such as defects or strains.