[論文レビュー] LK-99_ab_initio_studies

R. Kurleto, Stephan Lany+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Crystal Structures and Properties被引用数 15

ひとこと要約

CuPb9(PO4)6O（Cuドープ鉛アパタイト）のDFT研究。対称性制約計算はE_Fで金属的な平坦なCu-O帯を示す一方、対称性崩壊による緩和は電荷移動ギャップを開く。Cuはd9状態のままで局所磁気モーメントは約0.7 μB、平坦帯物理と高温超伝導挙動の可能性への道を示唆。

ABSTRACT

Based on DFT calculations, we present the basic electronic structure of CuPb9(PO4)6O (Cu-doped lead apatite, LK-99), in two scenarios: (1) where the structure is constrained to the P3 symmetry and (2) where no symmetry is imposed. At the DFT level, the former is predicted to be metallic while the latter is found to be a charge-transfer insulator. In both cases the filling of these states is nominally d9, consistent with the Cu2+ valence state, and Cu with a local magnetic moment ~0.7mB. In the metallic case we find these states to be unusually flat (0.2 eV dispersion), giving high DOS at EF that we argue can be a host for novel electronic physics, including potentially high temperature superconductivity. The flatness of the bands is the likely origin of symmetry-lowering gapping possibilities that would remove the spectral weight from EF. Since some experimental observations show metallic/semiconducting behavior, we propose that disorder is responsible for closing the gap. We consider a variety of possibilities that could possibly close the gap, but limit consideration to kinds of disorder that preserve electron count. For all possibilities we considered (spin disorder, O on vacancy sites, Cu on different Pb sites), the local Cu moment, and consequently the gap remains robust. We conclude that disorder responsible for metallic behavior entails some kind of doping where the electron count changes. We claim that the emergence of the flat bands should be due to weak wave function overlap between the Cu and O orbitals, owing to the directional character of the constituent orbitals. So, finding an appropriate host structure for minimizing hybridization between Cu and O while allowing them to still weakly interact should be a promising route for generating flat bands at EF which can lead to interesting electronic phenomena, regardless of whether LK-99 is a room-temperature superconductor.

研究の動機と目的

• 対称性を制約あり/なしとする状況で CuPb9(PO4)6O (LK-99) の電子構造を調査する。
• Cuドープがバンド構造、軌道特性、および磁気モーメントにどのように影響するかを判定する。
• 構造緩和の違いによってE_Fにある平坦なCu-O帯が金属性または絶縁的挙動を支えるかを評価する。
• 乱れとドーパント位置がギャップ形成と電子活性にどのように影響するかを探る。

提案手法

• VASPを用いて、Cu-dに対してU=5 eVのGGA、GGA+U、SCAN（PAW）でDFT計算を実施する。
• Cu置換を Pb(4f) および Pb(6h) 位点で、41原子、82原子、328原子のセル内でモデル化する。
• 対称性制約あり（P3）構造と完全緩和・対称性崩壊構造を比較し、Jahn-Teller様の歪みを特定する。
• バンド構造と投影DOSを計算し、E_F近傍のCu-dおよびO-p軌道寄与を同定する。
• 局所磁気モーメントとスピン配置（FM/AFM）を解析し、ギャップ形成機構を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性制約下で CuPb9(PO4)6O に Cu置換はフェルミ準位で平坦帯を生み出すか？
• RQ2 対称性を緩和し構造歪みを許容すると、ギャップ形成と Cu価状態（d9）にどう影響するか？
• RQ3 E_F近傍の帯の軌道特性は何で、対称性制約とセルサイズによってどう依存するか？
• RQ4 乱れとスピン揺らぎに対する局所Cu磁気モーメントは頑健か、モット/電荷移動ギャップの可能性とどう関連するか？

主な発見

• P3対称制約の下、CuPb9(PO4)6Oは金属性・半金属性の挙動を示し、Cu-O帯は非常に平坦（分散約0.2 eV）で、Cuあたり1 μBの全磁性モーメントを持つ。
• 対称性制約がなく構造が緩和されるとバンドギャップが開き、Cuは約0.7 μBの局所モーメントを伴うd9構成をとり、系は絶縁的となる。
• GGA+UとSCANCが対称性崩れの場合、GGAより大きなギャップを予測し、ギャップは約1.12–1.46 eV（構成と汎用関数に依存）となる。
• 超大胞計算（82原子および328原子）は、局所Cuモーメントとギャップ開きが乱れとスピン配置に頑健であることを示す。反強磁性配列はエネルギーをわずかに低くする。
• DOSと帯投影はE_F近傍の状態がCu-dおよびO-pに主に由来することを示し、対称性制約に応じて軌道寄与が異なる。制約下では d(xy), d(xz), d(yz) がE_F近傍に寄与するが、制約なしの場合はCuの特徴がE_Fからずれる。