[論文レビュー] Variation of orbital symmetry of the localized 3d^1 electron of the V^{4+} ion upon the metal-insulator transition in VO_2

M. A. Korotin, N. A. Skorikov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2003

Transition Metal Oxide Nanomaterials被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、VO₂における金属-絶縁体転移がモット＝ハッブルメカニズムによって駆動されることを示している。このメカニズムでは、電子相関効果がV⁴⁺の3d¹電子を、金属相であるルチル相（R相）ではyz-zx軌道に、絶縁体相であるモノクロイナル相（M₁およびM₂相）ではxy軌道に局在化させる。この局在化は、局所的な酸素配位環境に依存する。構造的歪みによって誘導される軌道対称性の変化が、系が金属的か絶縁体的かを決定づける。

ABSTRACT

The electronic structure of the vanadium dioxide VO_2 in the tetragonal R and two monocinic M_1 and M_2 structural modifications was calculated in frames of the local-density functional (LDA) approach and the LSDA + U formalism of correction for correlation effects. Based on the results of calculation, we argue in favor of the Mott-Hubbard mechanism of the metal-insulator transition. It is shown that the transition is accompanied by the change of the orbital in which the 3d^1 electron of the V^{4+} ion is localized. The symmetry of the filled orbital is determined by the local oxygen environment of the vanadium atoms in each structural phase. Depending on the dispersion of the band that corresponds to the orbital occupied, the investigated compound can be either a metal or an insulator.

研究の動機と目的

• VO₂における金属-絶縁体転移の起源について長年の議論を解決すること。
• 絶縁状態がペイアレス歪みによるものか、電子相関効果によるものかを特定すること。
• 第一原理計算を用いて、VO₂の全相（R相、M₁相、M₂相）におけるV⁴⁺の3d¹電子の軌道占有状態を調査すること。
• 電子相関が満たされたd軌道の電子構造および対称性を決定づける役割を明確にすること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）におけるタイトバインディング線形化ミトン・トイン軌道（TB-LMTO）法を用いた第一原理計算。
• V⁴⁺における強いd電子相関を扱うために、動的電子相関効果をLSDA+U形式で組み込んだ。
• R相、M₁相、M₂相の実験的に測定された格子定数を用いて、構造的正確性を確保した。
• 部分状態密度および軌道対称性の分析により、各相でどのt₂g軌道が占有されているかを同定した。
• 交換相関パラメータ（J）およびスピン磁化モーメントの計算により、M₂相における磁気秩序の程度を評価した。
• バンド分散および局在化傾向の比較を通じて、yz-zx軌道とxy軌道が金属的または絶縁体的性質をどのように決定づけるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VO₂における金属-絶縁体転移を駆動する主要なメカニズムは、ペイアレス歪みか電子相関（モット＝ハッブル）か？
• RQ2 R相、M₁相、M₂相におけるV⁴⁺イオンの3d¹電子が、どのt₂g軌道（yz-zxかxyか）に占有されているか？
• RQ3 局所的な酸素配位環境が、VO₂における満たされたd軌道の対称性をどのように決定づけるか？
• RQ4 二重鎖化および非二重鎖化の両方を含むM₂相では、V原子が等距離に配置されているにもかかわらず、なぜ絶縁体的性質を示すのか？
• RQ5 バンド理論が失敗するM₂相において、電子相関が絶縁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

• LSDA+U計算により、VO₂における金属-絶縁体転移はペイアレス歪みではなく、モット＝ハッブルメカニズムによって駆動されていることが確認された。
• R相では、3d¹電子が分散性が高く、金属的性質を示すyz-zx軌道に占有されている。
• M₁およびM₂相では、より強い相関効果により3d¹電子がxy軌道に局在化し、0.93 eVのエネルギーギャップが生じる。
• M₂相には、M₁に類似した二重鎖化された鎖と、Rに類似した非二重鎖化された鎖が共存するが、両方の鎖でxy軌道が占有されており、これが絶縁体的性質の理由である。
• M₂相の非二重鎖化鎖では、J ≈ 205 Kの反強磁性秩序と、V⁴⁺イオン1個あたり0.89 μBのスピン磁化モーメントが予測された。
• 満たされたd状態の軌道対称性（局所的酸素配位環境によって決定）が、系が金属的か絶縁体的かを制御する。