[논문 리뷰] Infinite Layer LaNiO(2): Ni(1+)is not Cu(2+)

Lee, K. -W., Warren E. Pickett|arXiv (Cornell University)|2004. 05. 24.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 ab initio LDA 및 LDA+U 계산을 통해 LaNiO₂가 CaCuO₂의 자화된 Cu²⁺와 유사한 형식적 Ni¹⁺(d⁹) 구성을 지닌다 해도 금속성이고 비자성임을 보여준다. 주요 차이는 Ni 3d–O 2p 혼성화가 감소하고 Ni 3d(3z²−r²)와 La 5d(3z²−r²) 상태 간의 강한 혼성화로 인해 발생하며, 이는 Ni 3d 밴드를 구멍 도핑하고 금속 상태를 안정화시킨다. 극한의 U 값에서 LDA+U는 반대자화된 d(x²−y²) 및 d(3z²−r²) 구멍을 가진 새로운 상관 상태를 예측하며, 이는 순수한 자화 모멘트가 없는 Ni²⁺ 이온과 유사하다.

ABSTRACT

The Ni ion in LaNiO$_2$ has the same formal ionic configuration $3d^9$ as does Cu in isostructural CaCuO$_2$, but it is reported to be nonmagnetic and probably metallic whereas CaCuO$_2$ is a magnetic insulator. From ab initio calculations we trace its individualistic behavior to (1) reduced $3d-2p$ mixing due to an increase of the separation of site energies ($ε_d - ε_p$) of at least 2 eV, and (2) important Ni $3d(3z^2-r^2)$ mixing with La $5d(3z^2-r^2)$ states that leads to Fermi surface pockets of La $5d$ character that hole-dope the Ni 3d band.Correlation effects do not appear to be large in LaNiO$_2$. However, ad hoc increase of the intraatomic repulsion on the Ni site (using the LDA+U method) is found to lead to a novel correlated state: (i) the transition metal $d(x^2-y^2)$ and $d(3z^2-r^2)$ states undergo consecutive Mott transitions, (ii) their moments are antialigned leading (ideally) to a "singlet" ion in which there are two polarized orbitals, and (iii) mixing of the upper Hubbard $3d(3z^2-r^2)$ band with the La $5d(xy)$ states leaves considerable transition metal 3d character in a band pinned to the Fermi level. The magnetic configuration is more indicative of a Ni$^{2+}$ ion in this limit, although the actual charge changes little with U.

연구 동기 및 목표

• LaNiO₂가 CaCuO₂의 자화된 Cu²⁺와 유사한 d⁹ Ni¹⁺ 이온을 지닌다 해도 금속성이고 비자성인 이유를 이해하는 것.
• 무한층 구조 니켈산염의 전자 구조를 결정짓는 전자 상호작용, 혼성화 및 양이온 환경의 역할을 조사하는 것.
• LDA+U가 LaNiO₂의 전자 행동을 기술할 수 있는지, 특히 다른 시스템에서 자성을 예측하지 못한 점을 감안해 탐구하는 것.
• LaNiO₂에서 형식적 d⁹ 구성과 비자성 금속적 거동 사이의 명백한 모순의 근본 원인을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 자기적 반자성 질서를 위해 (\sqrt{2} \times \sqrt{2}) 초세포를 사용한 전기적 포텐셜 선형화된 증강 평면파(FPLO) 방법을 이용한 ab initio 전자 구조 계산.
• 기본 상태 성질을 연구하기 위해 국소 밀도 근사(LDA) 및 그 자기적 일반화를 적용.
• 온사이트 쿨롱 반발력을 고려하고 상관 효과를 연구하기 위해 U 값이 1에서 8 eV인 LDA+U 방법 사용.
• Ni 3d, O 2p 및 La 5d 상태 간의 궤도 특성과 혼성화를 분석하기 위해 투사 밀도 상태(DOS) 분석.
• LDA+U 해의 스핀 균형 분포를 시각화하기 위해 스핀 밀도 등치도 맵핑.
• LaNiO₂와 CaCuO₂의 계산된 전자 구조를 비교하여 그들의 다른 자성 및 금속적 거동의 근본 원인을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaNiO₂가 CaCuO₂의 자화된 Cu²⁺와 유사한 d⁹ Ni¹⁺ 이온을 지닌다 해도 왜 금속성이고 비자성인가?
• RQ2 LaNiO₂의 전자적 및 자성적 성질을 결정짓는 데 있어 Ni 3d–O 2p 혼성화의 역할은 무엇인가? CaCuO₂와 비교하여 설명하라.
• RQ3 La 5d 상태가 결합에 관여함으로써 LaNiO₂의 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LDA+U 프레임워크에서 극한의 상관성(높은 U) 조건에서 LaNiO₂의 전자 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 실험적으로 장거리 자성 질서가 없음에도 불구하고 LDA는 왜 LaNiO₂에서 약한 반자성을 예측하는가?

주요 결과

• LaNiO₂에서 Ni 3d–O 2p 혼성화는 현저히 감소되어 있으며, Ni 3d와 O 2p 밴드 사이의 에너지 간격이 3–4 eV로 확보되며, CaCuO₂의 <1 eV와 대비된다.
• La 5d(3z²−r²) 상태와 Ni 3d(3z²−r²) 상태 간의 강한 혼성화로 인해 La 5d 특성을 가진 피어미 표면 포켓이 형성되며, 이는 Ni 3d 밴드를 구멍 도핑하고 금속 상태를 안정화시킨다.
• U = 8 eV일 때, LDA+U는 d(x²−y²) 및 d(3z²−r²) 오비탈이 연속적인 모트 전이를 겪고 반대자화된 스핀을 가지며 싱게틀 유사 상태를 형성하는 새로운 상관 상태를 예측한다.
• d(3z²−r²) 상태의 상하버드 밴드는 패배 수준에 고정되어 있으며, E_F 근처 상태에서 시스템은 여전히 상당한 Ni 3d 특성을 유지한다.
• 고U 조건에서의 자성 구조는 스핀 S=0인 Ni²⁺ 이온과 유사하지만, 실제로 Ni의 전하 상태는 U에 따라 거의 변화하지 않으며, 순수한 전자적 효과임을 시사한다.
• LDA는 LaNiO₂에서 자성을 과도하게 예측하며, 이는 자성 플럭츄에이션을 고려해야만 보정될 수 있음을 시사하며, ZrZn₂ 및 Ni₃Ga와 같은 다른 시스템과 일치한다.