[논문 리뷰] LK-99_ab_initio_studies

R. Kurleto, Stephan Lany외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 01.

Crystal Structures and Properties인용 수 15

한 줄 요약

DFT 연구 CuPb9(PO4)6O( Cu-도핑 납 인산염)에서의 DFT 연구가 대칭 제약 계산은 E_F에서 금속성의 평평한 Cu-O 밴드를 산출하는 반면, 대칭-파괴 이완은 전하 전달 갭을 여는 모습을 보여주며; Cu는 여전히 ~0.7 μB의 국부 모멘트를 가지는 d9 상태로 남아, 평면 밴드 물리학 및 가능하면 고온 Tc 동향으로의 경로를 시사합니다.

ABSTRACT

Based on DFT calculations, we present the basic electronic structure of CuPb9(PO4)6O (Cu-doped lead apatite, LK-99), in two scenarios: (1) where the structure is constrained to the P3 symmetry and (2) where no symmetry is imposed. At the DFT level, the former is predicted to be metallic while the latter is found to be a charge-transfer insulator. In both cases the filling of these states is nominally d9, consistent with the Cu2+ valence state, and Cu with a local magnetic moment ~0.7mB. In the metallic case we find these states to be unusually flat (0.2 eV dispersion), giving high DOS at EF that we argue can be a host for novel electronic physics, including potentially high temperature superconductivity. The flatness of the bands is the likely origin of symmetry-lowering gapping possibilities that would remove the spectral weight from EF. Since some experimental observations show metallic/semiconducting behavior, we propose that disorder is responsible for closing the gap. We consider a variety of possibilities that could possibly close the gap, but limit consideration to kinds of disorder that preserve electron count. For all possibilities we considered (spin disorder, O on vacancy sites, Cu on different Pb sites), the local Cu moment, and consequently the gap remains robust. We conclude that disorder responsible for metallic behavior entails some kind of doping where the electron count changes. We claim that the emergence of the flat bands should be due to weak wave function overlap between the Cu and O orbitals, owing to the directional character of the constituent orbitals. So, finding an appropriate host structure for minimizing hybridization between Cu and O while allowing them to still weakly interact should be a promising route for generating flat bands at EF which can lead to interesting electronic phenomena, regardless of whether LK-99 is a room-temperature superconductor.

연구 동기 및 목표

• CuPb9(PO4)6O(LK-99)의 전자 구조를 제약된 대칭과 비제약 대칭 시나리오에서 조사한다.
• Cu 도펀트가 밴드 구조, 궤도 특성 및 자기 모멘트에 어떤 영향을 미치는지 확인한다.
• Cu-O 밴드에서 E_F 근처의 평평한 밴드가 서로 다른 구조 이완 하에서 금속성 또는 절연성 거동을 지원할 수 있는지 평가한다.
• 무질서와 도펀트 위치가 갭 형성 및 전자 활성에 어떤 영향을 주는지 탐색한다.

제안 방법

• VASP에서 GGA, Cu- d에 대한 U=5 eV 를 적용한 GGA+U, PAW를 이용한 SCAN으로 DFT 계산을 수행한다.
• Cu 치환을 Pb(4f) 및 Pb(6h) 자리에서 41-원자, 82-원자, 328-원자 셀 내로 모델링한다.
• 대칭 제약(P3) 구조와 완전히 이완된 대칭 파괴 구조를 비교하여 Jahn-Teller형 왜곡을 식별한다.
• 밴드 구조 및 투영 DOS를 계산해 E_F 근처의 Cu-d 및 O-p 궤도 기여를 확인한다.
• 현지 자기 모멘트와 스핀 구성을 분석해(gap 형성 메커니즘을 평가한다).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CuPb9(PO4)6O에서 Cu 치환이 대칭 제약 조건 하에서 E_F에서 평평한 밴드를 생성하는가?
• RQ2 대칭을 이완하고 구조 왜곡을 허용하면 E_F 근처의 갭 형성 및 Cu 산화 상태(d9)에 어떤 영향을 주는가?
• RQ3 E_F 근처의 밴드의 궤도 특성은 무엇이며 대칭 제약 및 셀 크기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 지역 Cu 자기 모멘트는 무질서 및 스핀 요동에 얼마나 견고하며, 잠재적 Mott/전하 전달 갭과 어떻게 관계하는가?

주요 결과

• P3 대칭 제약 하에서 CuPb9(PO4)6O는 금속적이거나 반금속적 특성을 보이며 Cu-O 밴드의 매우 낮은 분산(약 0.2 eV)과 Cu당 순 모멘트 1 μB의 순 모멘트를 가진다.
• 대칭 제약이 해제되고 구조가 이완되면 밴드 갭이 열리고 Cu는 d9 구성을 가지며 약 0.7 μB의 국부 모멘트를 가지며 시스템은 절연 상태가 된다.
• GGA+U 및 SCAN은 대칭 파괴 경우에 GGA보다 더 큰 갭을 예측하며, 구성 및 함수에 따라 약 1.12–1.46 eV의 갭이 형성된다.
• 초세포 계산(82-원자 및 328-원자)은 무질서 및 스핀 구성에 대해 Cu의 국부 모멘트와 갭 형성이 강건함을 보이며, 반강자성 배열이 약간 더 낮은 에너지를 나타낸다.
• DOS 및 밴드 투영은 근사적으로 E_F에 Cu-d 및 O-p에서 기원하는 상태를 보여주며, 제약된 경우에는 d(xy), d(xz), d(yz가 E_F 근처에 기여하는 반면, 비제약적 경우 Cu의 특성이 E_F에서 벗어난다.