[논문 리뷰] Re-t2g-splitting-driven semiconductor gaps in ferrimagnetic double perovskite Ca2MReO6 (M=Cr,Fe) from first principles

Sai Gong, San‐Dong Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 21.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 43인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 mBJ 교환 포텐셜을 사용한 첫 원리 DFT 계산을 통해 Ca₂MReO₆ (M = Cr, Fe)가 재결합된 Jahn-Teller 왜곡에 의해 유도된 Re 5d t₂g 오비탈의 분리로 인해 고유의 전자적 갭을 가진 페로자성 반도체임을 입증한다. 갭은 각각 0.38 eV 및 0.05 eV이며, 이는 少수 스핀 채널에서 채워진 dxy+dxz 이중항과 빈 dyz 단일항을 형성하는 결정장 분리에 기인한다. 이는 스핀-오비탈 결합 조건에서도 강건하게 유지됨을 확인하여 이전의 DFT-GGA 계산이 절연체 행동을 예측하지 못한 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Motivated by the observation of nonmetallic nature in double perovskite Ca2CrReO6 and Ca2FeReO6 with high magnetic Curie temperatures of 360 and 522 K, we systematically investigate the structural, electronic, and magnetic properties of Ca2MReO6 (M=Cr,Fe) using the full-potential linear augmented plane wave (FP-LAPW) method within the density functional theory. Our full optimization confirms the stable ground-state structure with $P2_1/n$ symmetry. The modified Becke-Johnson (mBJ) exchange potential is used for investigating electronic structures. Our mBJ calculation shows that they are both ferrimagnetic semiconductors with semiconductor gaps of 0.38 eV and 0.05 eV, respectively, in contrast with wrong metallic phases from the generalized gradient approximation (GGA). The origin of semiconductor gap is due to the further distortion of ReO$_6$ octahedra caused by John-Teller effect, which drives the three partially-occupied Re $t_{2g}$ bands split into two fully-filled bands and one empty band in the minority-spin channel. With the spin-orbit coupling (SOC) taken into account, the Ca2MReO6 (M=Cr,Fe) shows high magneto-crystalline anisotropy (MCA) with the magnetic easy axis along pseudocubic [010] direction, and the total magnetic moments increase by 0.209$μ_B$ and 0.258$μ_B$ per formula unit, respectively, due to the strong SOC effect on Re ion. Although reducing to 0.31 and 0.03 eV, the semiconductor gaps remain open in spite of the SOC broadening of the Re $t_{2g}$-related bands. Therefore, our DFT investigation with mBJ has established the correct ferrimagnetic semiconductor ground state for the double perovskites Ca2MReO6 (M=Cr,Fe). This mechanism, different from that in double perovskite Sr2CrOsO6, can help understand physical properties of other similar compounds.

연구 동기 및 목표

• Ca₂CrReO₆ 및 Ca₂FeReO₆에서 실험적 관찰된 비금속적 거동와 이전의 DFT-GGA 계산이 금속 상태를 예측한 것 사이의 모순을 해결하기 위해.
• 특히 단세립계 P2₁/n 구조와 높은 투자 온도를 고려할 때, 이러한 이중퍼보스카이트에서 반도체 갭의 기원을 규명하기 위해.
• 스핀-오비탈 결합(SOC)이 전자 구조, 자성 이방성 및 갭 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 전이 금속 산화물에서 DFT-GGA가 갭을 과소평가하는 문제를 보완하기 위해 mBJ 포텐셜을 사용한 신뢰할 수 있는 전자 구조 모델 수립을 위해.

제안 방법

• 전자 및 자성 구조 계산를 위한 밀도함수이론(DFT) 내에서 전면 포텐셜 선형화된 평면파(FP-LAPW) 방법을 사용한다.
• 강한 상관관계를 가지는 시스템에 특히 유리한 갭 정확도 향상을 위해 수정된 Becke-Johnson(mBJ) 교환 포텐셜을 사용한다.
• 핵 상태에 대해서는 반경 방향 딜라크 방정식의 자성 해를 통해 스핀-오비탈 결합(SOC)을 포함하고, 배치 상태에 대해서는 스칼라 상대론적 처리를 사용한다.
• 기하학적 최적화는 GGA 교환-상관 기능을 사용하고, 최적화된 구조에 대해 mBJ 계산을 수행한다.
• 단세립계에서 자화 방향을 변화시켜 자화 결정 이방성 에너지(MCA)를 계산한다.
• 원자 d 오비탈에 대한 밀도 상태의 투영을 통해 궤도 기여도 및 스핀 분리 메커니즘을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개선된 교환 기능으로 정확하게 모델링할 경우, Ca₂CrReO₆ 및 Ca₂FeReO₆의 진정한 전자 기저 상태는 금속인지 반도체인지인가?
• RQ2 부분적으로 채워진 Re 5d t₂g 오비탈과 단세립계 왜곡을 고려할 때, 이러한 페로자성 이중퍼보스카이트에서 반도체 갭을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 스핀-오비탈 결합은 이 시스템의 밴드 구조, 자화 모멘트 및 갭 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 표준 GGA-DFT 계산은 Ca₂MReO₆ (M=Cr,Fe)에서 실험적으로 관찰된 절연체 행동을 예측하지 못하는가?
• RQ5 스핀-오비탈 결합 조건에서도 반도체 갭은 안정적인가? 궤도 분리와 대칭성 붕괴 측면에서 그 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 전체 기하학 최적화를 통해 Ca₂CrReO₆ 및 Ca₂FeReO₆의 기저 상태 구조가 단세립계 P2₁/n임이 확인되었다.
• mBJ-DFT 계산은 각각 0.38 eV 및 0.05 eV의 반도체 갭을 밝혀내어 GGA의 오류 있는 금속 예측을 수정하였다.
• 반도체 갭은 Re 5d t₂g 오비탈의 Jahn-Teller 왜곡에 의해 유도된 분리에 기인하며, 이는 소수 스핀 채널에서 채워진 dxy+dxz 이중항과 빈 dyz 단일항을 형성한다.
• 스핀-오비탈 결합은 갭을 각각 0.31 eV 및 0.03 eV로 감소시켰지만, 강건한 밴드 분리 덕분에 절연체 성질을 유지한다.
• SOC로 인해 총 자화 모멘트는 각각 공식 단위당 0.209 μB 및 0.258 μB 증가하였으며, 비정수 모멘트는 스핀-아래 상태 혼합으로 인해 발생한다.
• 이 시스템은 허용 축이 허위 입방 [010] 방향에 있는 높은 자화 결정 이방성을 나타내며, 스핀트로닉스 응용 가능성을 시사한다.