[논문 리뷰] Coulomb interaction in oxygen extit{p}-shell in LDA+U method and its influence on calculated spectral and magnetic properties of transition metal oxides

I. A. Nekrasov, M. A. Korotin외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 09. 07.

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전이 금속 산화물에서 표준 d-오비탈 상관관계 외에 산소 2p 오비탈의 쿠론트 상호작용을 포함하도록 LDA+U 방법을 확장한다. 산소 p-전자에 대한 $U_p$를 포함시킴으로써, 특히 전하 이송 에너지를 증가시키고 이온성을 향상시키며, XPS 및 BIS 스펙트럼, NiO, MnO 및 La2CuO4에서의 자화모멘트 및 스핀 상호작용을 더 잘 재현함으로써 실험적 스펙트럼 및 자성 성질과의 일치도가 크게 향상된다.

ABSTRACT

Coulomb interaction between electrons on p-orbitals of oxygen atom in strongly correlated compounds is not negligible, since its value (U_p) has comparable order of magnitude with the value of Coulomb interaction on d-orbitals of transition metal atom (U_d). We investigate the effect of taking into account Coulomb correlations in oxygen p-shell in addition to the correlations in the transition metal d-shell in frame of the LDA+U method. Our calculations for NiO, MnO and La2CuO4 show that this additional correction in general improves the agreement with experimental data for the spectral (energy gap values, relative position of the main peaks in X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and Bremsstrahlung isohromate spectroscopy (BIS)) and magnetic properties (magnetic moment values and intersite exchange interaction parameters values).

연구 동기 및 목표

• 표준 LDA+U가 산소 p-오비탈 상관관계를 무시하는 강한 상관관계를 가지는 전이 금속 산화물의 기술에 한계를 지닌다는 문제를 해결하기 위해.
• 산소 2p 껍질에 있는 쿠론트 상호작용($U_p$)을 포함시키면 실험적 스펙트럼 및 자성 데이터와의 일치도가 향상되는지 조사하기 위해.
• LDA+U(d+p)에서 $U_p$가 전하 이송 에너지, 밴드 정렬 및 반도체에서의 전자 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 산소 p-전자 상관관계가 자화모멘트 및 이격된 서큘레이션 상호작용 계수($J_{ex}$)에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준 $U_d$ 외에 산소 2p 전자에 대한 허버드 $U$ 항($U_p$)을 포함하는 방식으로 LDA+U 방법을 확장한다.
• 전체 에너지 기능에 $E^{U}(d+p)$를 수정하여 d 및 p 껍질의 쿠론트 상호작용을 고려하고, 이중 계산 보정을 적용한다.
• 선형 머피틴 오비탈(LMTO) 방법 내의 자기 일관성 원자 구형 근사(ASA)를 사용하여 확장된 LDA+U 기능을 바탕으로 코흐-샴 방정식을 해석한다.
• 그린 함수 기법을 통해 밀도 상태(DOS), 에너지 갭, 스핀 자화모멘트 및 스핀 상호작용 계수($J_{ex}$)를 계산한다.
• 실험적 XPS 및 BIS 스펙트럼을 기준으로 계산된 비가역 및 가역 밴드 위치를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산소 2p 껍질에 쿠론트 상호작용을 포함시키면 전이 금속 산화물의 계산된 에너지 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 NiO, MnO 및 La2CuO4에서 $U_p$가 계산된 XPS 및 BIS 스펙트럼과 실험 결과 간의 일치도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 산소 2p의 포함이 자화모멘트 값 및 이격된 서큘레이션 상호작용 계수($J_{ex}$)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 산소 p-오비탈 상관관계가 이러한 산화물에서 전하 이송 에너지 및 이온성/공유성 균형을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 6 eV의 $U_p$를 포함시키면 전하 이송 에너지가 약 3 eV 증가하며, 이는 전이 금속 3d 오비탈이 산소 2p 오비탈보다 약 3 eV 높은 위치로 이동하는 데 기여하여 실험적 경향과 일치한다.
• LDA+U(d+p)에서 계산된 에너지 갭은 표준 LDA+U보다 실험 결과와 더 잘 일치하며, 특히 NiO 및 MnO에서 두드러진다.
• LDA+U(d+p)에서의 스핀 자화모멘트는 표준 LDA+U보다 더 크며 실험 값과 더 가까워, 증가된 $U_p$로 인한 이온성 증가 때문이 다.
• XPS 및 BIS 스펙트럼의 주요 피크 위치는 LDA+U(d+p)에서 더 잘 재현되며, 특히 점유된(O 2p, Me 3d) 및 비점유된(Me 3d) 오비탈 간의 상대적 정렬이 개선된다.
• LDA+U(d+p)로 계산된 이격된 서큘레이션 상호작용 계수($J_{ex}$)는 표준 LDA+U보다 실험 결과와 더 잘 일치하며, 특히 MnO에서 두드러진다.
• 산소 2p 오비탈의 상호작용 증가로 인해 이온성이 증가하고 공유성이 감소하여 비점유된 3d 오비탈에 산소 2p 오비탈의 혼합도 감소하고, 이로 인해 전자 상태가 더 국소화되고 스펙트럼 해상도가 향상된다.