[論文レビュー] Lattice normal modes and electronic properties of the correlated metal LaNiO$_3$

Gaoyang Gou, Ilya Grinberg+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて相関金属であるLaNiO₃における格子振動および電子構造を調査した。強いNi 3d–O 2p混合化が電子的スクリーニングを強化し、電子相関を軽減し、金属的状態を安定化することが示された。常識的LSDAが、電子的および格子力学的性質の両方において実験と最も一致した。一方、A₁gラマンモードは、rhombohedral相における八面体回転の感受性なプローブとして機能する。

ABSTRACT

We use density functional theory (DFT) calculations to study the lattice vibrations and electronic properties of the correlated metal LaNiO$_3$. To characterize the rhombohedral to cubic structural phase transition of perovskite LaNiO$_3$, we examine the evolution of the Raman-active phonon modes with temperature. We find that the $A_{1g}$ Raman mode, whose frequency is sensitive to the electronic band structure, is a useful signature to characterize the octahedral rotations in rhombohedral LaNiO$_3$. We also study the importance of electron--electron correlation effects on the atomic structure with two approaches which go beyond the conventional band theory (local spin density approximation): the local spin density+Hubbard $U$ method (LSDA$+U$) and hybrid exchange-correlation density functionals which include portions of exact Fock-exchange. We find the conventional LSDA accurately reproduces the delocalized nature of the valence states in LaNiO$_3$ and gives the best structural and vibrational agreement to the available experimental data. Based on our calculations, we show that the electronic screening effect from the delocalized Ni 3$d$ and O-2$p$ states mitigate the electronic correlations of the $d^7$ Ni cations, making LaNiO$_3$ a weakly correlated metal.

研究の動機と目的

• 相関金属であるLaNiO₃における格子力学的性質と電子相関の相乗的相互作用を理解すること。
• Ni 3d–O 2p混合化が電子間相関を軽減し、金属的状態を安定化させる役割を特定すること。
• LSDA、LSDA+U、PBE0、HSEといったさまざまなDFT汎関数がLaNiO₃の電子的および振動的性質をどの程度適切に記述できるかを評価すること。
• rhombohedralペロブスカイトにおける八面体回転の定量的評価に適した分光的シグナル（A₁gラマンモード）を同定すること。
• 標準的DFT汎関数がNi e_g状態における動的相関効果を捉える際の限界を評価すること。

提案手法

• LaNiO₃の電子構造および格子力学的性質を計算するために、局所スピン密度近似（LSDA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• Ni 3d状態に及ぼす電子間相関の影響を評価するため、軌道依存のハーバードUパラメータ（5.74 eV）を用いたLSDA+U法を適用した。
• 電子バンド構造およびコア準位結合エネルギーのより良い記述を得るため、ハイブリッド交換相関汎関数（PBE0およびHSE）を用いた。
• 特にA₁gモードに注目し、温度依存的なラマン活性モードの進化を求めるために線形応答計算を実施した。
• LaNiO₃におけるrhombohedralから立方晶への相転移をモデル化するために、ランダウの相転移理論を用いた。
• 実験データと照合するため、計算された分光的性質（コア準位結合エネルギー、価電子帯構造）を比較し、汎関数の性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A₁gラマンモード、特に隣接するNiO₆八面体の回転を表すモードは、rhombohedral LaNiO₃における八面体回転度をどの程度反映しているか？
• RQ2 Ni 3d–O 2p混合化が、LaNiO₃における有効な電子間相関をどの程度軽減するか？
• RQ3 LSDA、LSDA+U、PBE0、HSEのうち、どのDFT汎関数がLaNiO₃の実験的電子構造および格子力学的性質を最もよく再現するか？
• RQ4 冷却に伴いNi e_g軌道にフェルミ準位付近でスペクトル重みが増加する理由は何か？また、標準的DFT汎関数はこれを再現できるか？
• RQ5 d⁷ Ni³⁺カチオンが存在するにもかかわらず、電子的スクリーニングがLaNiO₃の金属的状態を安定化させる役割を果たすメカニズムは何か？

主な発見

• A₁gラマンモードは、隣接するNiO₆八面体の回転を表しており、rhombohedralペロブスカイトにおける八面体回転の定量的評価に感受性な構造的プローブとして機能する。
• 常識的LSDAは、価電子状態の拡散的性質を正確に再現し、LaNiO₃における実験的格子力学的性質および電子構造と最も一致した。
• 強いNi 3d–O 2p混合化が電子的スクリーニングを強化し、Ni 3d軌道上の有効クーロン相互作用を低減し、電子相関効果を緩和することが分かった。
• LSDA+U法は正しい電子的スクリーニングを捉えられず、Ni 3dおよびO 2p状態の拡散的性質を過小評価し、実験と一致しない結果となった。
• ハイブリッド汎関数（PBE0およびHSE）はコア準位結合エネルギーの記述において最も優れていたが、正しくない価電子帯分散および格子力学的性質を再現できなかった。
• 実験的に観察されたNi e_g状態における動的相関効果（フェルミ準位付近でのスペクトル重みの増加）は、LSDA、LSDA+U、およびハイブリッド汎関数では捉えられておらず、動的平均場理論（DMFT）の適用が求められることが示された。