[論文レビュー] Structural, electronic, magnetic properties of Cu-doped lead-apatite Pb$_{10-x}$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O

Jianfeng Zhang, H. Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 8

ひとこと要約

第一原理計算により、CuはPb10-xCu x(PO4)6Oの6h部位のPbを優先的に置換し、E_F近傍でCu由来の3d/O 2p混成を含む半導体的基底状態と局所磁気モーメントを生じる。磁性結合は弱く、平面内は反強磁性である。

ABSTRACT

The recent report of superconductivity in the Cu-doped PbPO compound stimulates the extensive researches on its physical properties. Herein, the detailed atomic and electronic structures of this compound are investigated, which are the necessary information to explain the physical properties, including possible superconductivity. By the first-principles electronic structure calculations, we find that the partial replacement of Pb at $4f$ site by Cu atom, instead of Pb at $6h$ site, plays a crucial role in dominating the electronic state at Fermi energy. The $3d$ electronic orbitals of Cu atom emerge near the Fermi energy and exhibit strong spin-polarization, resulting in the local moment around the doped Cu atom. Particularly, the ground state of Pb$_{10-x}$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O (x = 1) is determined to be a semiconducting phase, in good agreement with the experimental measurements.

研究の動機と目的

• Pb10-xCu x(PO4)6OにおけるCu置換部位の優先性と構造的影響を同定する。
• Fermi近傍の電子構造と軌道寄与を特徴づける。
• ドープCuの磁気モーメントと格子間磁性結合を評価する。
• 半導体的挙動と金属的挙動の比較を行い、実験観測と関連づける。

提案手法

• GGA-PBEとPAWポテンシャルを用いたVASPでDFT計算を実施。
• 構造・電子計算に600 eVの平面波カットオフと4x4x4 / 8x8x12のk点メッシュを使用。
• Cuの3d状態に対してGGA+U（U = 4.0 eV）によるオンサイト相関を導入。
• Pb(6h)とPb(4f) WyckoffサイトおよびO 4e占有（aおよびb）を考慮したCu置換を検討。
• 総DOSと投影DOSを計算し、Cu 3dおよびO 2pの軌道寄与を同定。
• 1×1×2および2×1×1の磁性スーパーセルを構築して、c軸およびab平面方向のCu間磁 couplingを探る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pb10-xCu x(PO4)6OにおいてCuはどのPb Wyckoffサイト（6hまたは4f）を優先的に置換するか？
• RQ2 x≈1のPb10-xCu x(PO4)6Oの電子構造と半導体的か金属的かの性質はどうか？
• RQ3 フェルミ近傍の軌道特性とCuの磁気モーメントはどのようになるか？
• RQ4 Cu–Cu磁性相互作用はc軸方向とab平面方向でどう結合するか？

主な発見

Cu site	O4e(a) energy (eV per formula cell)	O4e(b) energy (eV per formula cell)	Optimization status
Cu 6h PbPO (Fixed)	-266.3510	-266.1150	Fixed
Cu 4f PbPO (Fixed)	-265.7730	-266.0160	Fixed
Cu 6h PbPO (Optimized)	-266.4862	-266.4610	Optimized
Cu 4f PbPO (Optimized)	-265.7988	-266.0167	Optimized

• Cuドーパントは6hサイトのPb置換を4fサイトよりエネルギー的に好み、Cu6h PbPOがCu4f PbPOより安い。
• Pb10-xCu x(PO4)6O（x=1）はPBEで約0.5 eV、GGA+U（U=4 eV）で約0.9 eVの半導体的基底状態を持つ。
• フェルミ近傍のCu 3d状態は強いスピン分極を示し、Cuに局所磁気モーメントが約1.0 μB生じる。
• 投影DOSはCu 3dとO 2pの強い混成を示す。
• Cu間磁性結合は弱く、c方向は弱い強磁性(<0.1 meV)、ab平面内は反強磁性(<1.0 meV)。
• O 4e部位占有は詳細なDOSに影響を与えるが、O4e(a)とO4e(b)のいずれの構成でも半導体的で約0.5–0.9 eVのギャップを維持する。