[논문 리뷰] Magnetic Properties and Spin-orbit Coupling induced Semiconductivity in LK-99

Hua Bai, Lei Gao외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 09.

Crystal Structures and Properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스핀-오비트 결합(SOC)이 예측된 평탄한 밴드 금속인 Pb9Cu(PO4)6O(LK-99)를 자기적 반도체로 전환시켜 이전의 SOC를 忽略한 밀도함수이론(first-principles) 계산과 실험 관측 간의 모순을 해결함을 보여준다. SOC를 포함한 경우, 물질은 페로자성 상태에서 간접 밴드 간극 반도체(292 meV)로, 반자성-A 상태에서 직접 밴드 간극 반도체(300 meV)로 나타나며, 전자 도핑 시 패리미 에너지 수준에서 매우 좁은 평탄한 밴드(25 meV 폭)를 형성한다.

ABSTRACT

Recent reports of a possible room-temperature superconductor called LK-99 have generated a lot of attention worldwide. In just a few days, a large amount of experimental works attempted to reproduce this sample and verify its properties. At the same time a large amount of theoretical works have also been reported. However, many experiments have drawn different conclusions, and many theoretical results are not consistent with experimental results. For one of the structures of LK-99 with the chemical formula as Pb9Cu(PO4)6O, many first-principles calculations did not consider spin-orbit coupling and concluded that it is a flat band metal. However, spin-orbit coupling is often not negligible in systems with heavy elements, and LK-99 contains a large amount of heavy element Pb. We performed calculations of electronic structure of Pb9Cu(PO4)6O with spin-orbit coupling, and the results show that it's not a metal but a semiconductor. This is consistent with many experimental results. In the ferromagnetic state Pb9Cu(PO4)6O is an indirect-bandgap semiconductor with a bandgap of 292 meV. Moreover, its conduction band is a flat band. At an electron doping level of 0.5 e/unit cell, Pb9Cu(PO4)6O becomes metallic and has a flat band with a width of only 25 meV at the Fermi level in the ferromagnetic state. While in the antiferromagnetic-A state, Pb9Cu(PO4)6O is a direct-bandgap semiconductor with a bandgap of 300 meV. As a magnetic narrowband semiconductor, Pb9Cu(PO4)6O may have potential application value in the field of optoelectronic device, photocatalytic, photodetector and spintronics device.

연구 동기 및 목표

• 이전의 스핀-오비트 결합을 忽略한 밀도함수이론 계산과 LK-99의 전자적 성질에 대한 실험 관측 간의 모순을 해결하기 위함.
• 중량 원소인 Pb 원자가 존재하므로, 스핀-오비트 결합이 Pb9Cu(PO4)6O에 미치는 영향을 조사하기 위함.
• 스핀-오비트 결합 유무에 따라 LK-99의 전자 구조와 자기 기저 상태를 규명하기 위함.
• 특히 패리미 에너지 수준에서 평탄한 밴드 형성에 미치는 전자 도핑의 영향을 탐색하기 위함.

제안 방법

• 전자 구조 분석을 위해 허브스 U 보정(U = 4 eV)을 적용한 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행함.
• 밴드 분산 및 간극 형성에 미치는 영향 평가를 위해 계산에 스핀-오비트 결합(SOC)을 포함함.
• 2×2×2 초세포를 사용하여 페로자성(FM), 반자성-A(AFM-A), AFM-C, AFM-G 등의 다양한 자기 상태를 분석함.
• 전자 상태의 궤도 기여도를 규명하기 위해 투사된 상태 밀도(PDOS)를 계산함.
• 패리미 에너지 수준의 전자 구조에 미치는 영향 평가를 위해 전자 도핑(0.5 e/unit cell) 효과를 평가함.
• SOC 및 U 보정을 고려한 다양한 자기 상태의 총 에너지를 비교하여 기저 상태를 결정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도함수이론 계산에 스핀-오비트 결합을 포함하면 LK-99의 예측된 금속 성질이 반도체 성질로 변화하는가?
• RQ2 스핀-오비트 결합을 포함할 경우 Pb9Cu(PO4)6O의 자기 기저 상태는 무엇인가?
• RQ3 전자 도핑은 LK-99의 페로자성 상태에서 패리미 에너지 수준에 평탄한 밴드 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합을 포함한 LK-99의 반자성-A 상태에서 간극 크기와 유형(직접/간접)은 무엇인가?
• RQ5 스핀-오비트 결합을 忽略할 경우와 포함할 경우 LK-99의 전자적 성질은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 스핀-오비트 결합을 포함함으로써 Pb9Cu(PO4)6O는 예측된 평탄한 밴드 금속에서 페로자성 상태에서 292 meV 간극을 가진 간접 밴드 간극 반도체로 전환된다.
• 반자성-A 상태에서는 직접 밴드 간극 반도체로서 300 meV 간극을 가지며, 이는 간극이 매우 넓지 않음을 시사한다.
• 페로자성 상태에서 도도 밴드는 평탄한 밴드이며, 전자 도핑(0.5 e/unit cell) 시 패리미 에너지 수준에서 폭이 단 25 meV에 불과한 매우 좁은 평탄한 밴드를 형성하여 금속성으로 전환된다.
• LK-99의 기저 상태는 반자성-A 상태이며, 자기 상태 간 에너지 차이가 미미하여 자기적 불안정성을 시사한다.
• 스핀-오비트 결합의 포함은 평탄한 밴드에서 밴드 역전을 유도하여 간극이 크게 열리며, 이는 이론적 예측과 실험 관측 간의 일치를 가능하게 한다.
• 물질은 약 1 μB의 자기 모멘트를 나타내며, 자화의 용이한 축은 c축을 향한다.