[논문 리뷰] Dynamical structural instability and a new crystal-electronic structure of infinite-layer nickelates

Chengliang Xia, Jiaxuan Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 24.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 만성적 니켈레이트 RNiO₂가 후기 랜타니드 원소들(R = Eu-Lu)에서 사각형 P4/mmm 상에서 동적으로 불안정하며, 비단일성 NiO₄ 평면 구조의 위상이 다른 회전을 포함하는 더 낮은 에너지의 I4/mcm 상으로의 경향을 보임을 밝혀냈다. 이 변형은 Ni d-밴드 폭을 감소시키고, Ni d-점유를 감소시키며, Mott 물리학을 강화하여 I4/mcm RNiO₂가 초전도성 구프레이트와 더 유사한 특성을 보임을 시사한다.

ABSTRACT

We use first-principles calculations to find that in infinite-layer nickelates $R$NiO$_2$, the widely studied tetragonal $P4/mmm$ structure is only dynamically stable for early lanthanide elements $R$ = La-Sm. For late lanthanide elements $R$ = Eu-Lu, an imaginary phonon frequency appears at $A=(\pi,\pi,\pi)$ point. For those infinite-layer nickelates, condensation of this phonon mode into the $P4/mmm$ structure leads to a more energetically favorable $I4/mcm$ structure that is characterized by an out-of-phase rotation of `NiO$_4$ square'. Special attention is given to two borderline cases: PmNiO$_2$ and SmNiO$_2$, in which both the $P4/mmm$ structure and the $I4/mcm$ structure are local minimums, and the energy difference between the two structures can be fine-tuned by epitaxial strain. Compared to the $P4/mmm$ structure, $R$NiO$_2$ in the $I4/mcm$ structure has a substantially reduced Ni $d_{x^2-y^2}$ bandwidth, a smaller Ni $d$ occupancy, a `cleaner' Fermi surface with less contribution from lanthanide element $d$ orbitals, and a decreased critical $U_{ extrm{Ni}}$ to stabilize long-range antiferromagnetic ordering. All these features favor Mott physics and render $R$NiO$_2$ in the $I4/mcm$ structure a closer analogy to superconducting infinite-layer cuprates.

연구 동기 및 목표

• 랜타니드 계열 전반에 걸쳐 무한층 구조의 니켈레이트 RNiO₂에서 사각형 P4/mmm 상의 동적 안정성을 조사하기 위해.
• 초기 랜타니드를 초월하여 RNiO₂의 상 전이를 이끄는 구조적 비안정성을 규명하기 위해.
• 경계 사례(Pm, Sm)에서 에피택셜 스트레인이 P4/mmm 및 I4/mcm 상 사이의 에너지 구조를 어떻게 조절하는지 탐색하기 위해.
• I4/mcm 상에서의 전자 구조 변화와 그 Mott 물리학 및 반자성 정렬에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 동적 불안정성을 나타내는 허수 주파수를 식별하기 위해, 초전도체의 음향 분포를 계산하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행함.
• 군 이론을 활용하여 A=(π,π,π) 점에서의 연약한 진동 모드가 I4/mcm 공간군으로의 구조적 변형을 유도하는 응축 상태임을 규명함.
• 각 R 원소에 대해 지배 상태의 구조를 결정하기 위해 구조적 리럭스레이션과 에너지 최소화를 수행함.
• 전자 밴드 구조, d 오비탈 점유율, 패피 표면 조성, 반자성 정렬을 위한 임계 U 값 분석을 수행함.
• PmNiO₂ 및 SmNiO₂에서 슈퍼셀 모델을 활용해 에피택셜 스트레인을 적용하여 P4/mmm 및 I4/mcm 상 사이의 에너지 차이를 조절함.
• 두 상 간의 Ni d 오비탈 폭, 점유율, 랜타니드 4f/d 오비탈과의 혼성화 정도를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 초기 랜타니드에선 지배 상태이지만 후기 랜타니드 니켈레이트(R = Eu-Lu)에서는 사각형 P4/mmm 상이 동적으로 불안정한가?
• RQ2 A=(π,π,π) 지점에서의 연약한 진동 모드 응축이 유도하는 구조적 변형은 무엇이며, 그 대칭성과 원자적 기원은 무엇인가?
• RQ3 I4/mcm 상은 P4/mmm 상 대비 Ni d-밴드 폭, d-점유율, 패피 표면 위상 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 I4/mcm 상은 장거리 반자성 정렬을 안정화하기 위해 필요한 임계 U_Ni에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 에피택셜 스트레인을 통해 PmNiO₂ 및 SmNiO₂와 같은 경계 사례에서 P4/mmm 및 I4/mcm 상의 상대적 안정성을 제어할 수 있는가?

주요 결과

• R = Eu-Lu인 경우, P4/mmm 상은 A=(π,π,π) 지점에서 허수 주파수를 보이며 동적 불안정성을 나타냄.
• 이 진동 모드의 응축은 비단일성 NiO₄ 평면 구조의 위상이 다른 회전을 포함하는 더 낮은 에너지의 I4/mcm 상으로의 변형을 유도함.
• I4/mcm 상은 P4/mmm 상 대비 상당히 감소된 Ni d_{x²−y²} 밴드 폭을 나타냄.
• I4/mcm 구조에서 Ni d 오비탈 점유율은 감소하여 더 강한 Mott 절연체 성향을 나타냄.
• I4/mcm 상의 패피 표면은 랜타니드 4f 및 d 오비탈과의 혼성화가 크게 감소하여 '더 깔끔한' 형태를 띔.
• I4/mcm 상에서는 장거리 반자성 정렬을 안정화하기 위해 필요한 임계 U_Ni 값이 감소하여 Mott 물리학을 더욱 강화함.