[논문 리뷰] Structural transitions and transport-half-metallic ferromagnetism in LaMnO3 at elevated pressure

Jiangang He, Mingxing Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 07.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 하이브리드 밀도함수이론을 사용하여 고압 조건에서 LaMnO3가 Jahn-Teller 왜곡 억제와 고스핀에서 저스핀 전이에 의해 유도되는 반도체에서 반강자성 반도체로의 구조 전이를 보여주며, 이로 인해 스핀 분리도가 최대 92%에 이르는 반도체 상태를 형성함으로써 도핑 없이도 슈퍼자기저항성(CMR) 행동을 나타낼 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

By means of hybrid density functional theory we investigate the evolution of the structural, electronic and magnetic properties of the colossal magnetoresistance (CMR) parent compound LaMnO$_3$ under pressure. We predict a transition from a low pressure antiferromagnetic (AFM) insulator to a high pressure ferromagnetic (FM) transport half-metal (tHM), characterized by a large spin polarization (~ 80-90 %). The FM-tHM transition is associated with a progressive quenching of the cooperative Jahn-Teller (JT) distortions which transform the $Pnma$ orthorhombic phase into a perfect cubic one (through a mixed phase in which JT-distorted and regular MnO6 octahedra coexist), and with a high-spin (S=2, m_Mn=3.7 mu_B) to low-spin (S=1, m_Mn=1.7 mu_B) magnetic moment collapse. These results interpret the progression of the experimentally observed non-Mott metalization process and open up the possibility of realizing CMR behaviors in a stoichiometric manganite.

연구 동기 및 목표

• CMR 원료 화합물인 LaMnO3의 압력에 의한 구조적, 전자적, 자성 변화를 조사하기 위해.
• 순수 LaMnO3가 고압 조건에서 전도 반도체 반강자성을 나타낼 수 있는지 확인하기 위해.
• 표준 DFT가 망간산염에서 강한 전자 상호작용과 Jahn-Teller 왜곡을 기술하는 데 가지는 한계를 해결하기 위해.
• 도핑되지 않은 순수 망간산염에서 초위대자기저항성(CMR) 현상이 실현 가능한지 탐색하기 위해.
• 고압 기법을 사용하여 순수 산화물에서 CMR를 실험적으로 탐색하기 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 강한 전자 상호작용과 Jahn-Teller 왜곡을 정확히 기술하기 위해 정확한 상호작용 혼합 비율(α = 0.10에서 0.35)을 가진 하이브리드 밀도함수이론(HSE)을 사용하였다.
• 바이에른 아비아 시뮬레이션 패키지(VASP)를 사용하여 에너지-부피 곡선과 구조적 매개변수를 계산하여 고압 하에서의 상 전이를 규명하였다.
• 압력 증가에 따라 증가하는 왜곡 억제를 정량화하기 위해 Jahn-Teller 매개변수 Q2와 Q3의 변화를 추적하였다.
• VASP와 BoltzTrap를 연동하여 스핀 의존 밀도 상태(DOS), 패피 에너지 속도(vF), 스핀 분리도(Pn)를 계산하여 전도 반도체 성질을 평가하였다.
• Mazin 공식(Pn = [N↑vF↑n − N↓vF↓n]/[N↑vF↑n + N↓vF↓n])을 사용하여 다양한 전도 영역(n=0,1,2)에서 스핀 분리도를 계산하였다.
• 전자 구조 변화와 자성 모멘트 붕괴 간의 상관관계를 분석하기 위해 t2g 및 eg 오비탈의 오비탈 점유도를 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 LaMnO3가 고압 조건에서 전도 반도체 반강자성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 LaMnO3의 고압 하에서 절연체에서 도체로의 전이와 자성 상 변화에 있어 Jahn-Teller 왜곡의 역할은 무엇인가?
• RQ3 고스핀(S=2)에서 저스핀(S=1) 전이가 LaMnO3의 전자적 및 전도적 성질에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 협동적 Jahn-Teller 왜곡 억제가 입방 대칭성과 반도체 성질로 이르는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 고압 상에서의 스핀 분리도가 도핑된 CMR 망간산염의 것과 동일하거나 이를 초월할 수 있는가?

주요 결과

• LaMnO3는 압력이 약 32 GPa 이상일 때 반강자성 절연체에서 반강자성 전도 반도체로의 전이를 보이며, 임계 부피 비율 V/V₀ ≈ 0.70이다.
• 이 전이는 점진적인 Jahn-Teller 왜곡 억제에 의해 유도되며, V/V₀ ≈ 0.76에서 완전한 입방 퍼보스카이트 구조(Pnma → 이상적인 퍼보스카이트)로 전환된다.
• V/V₀ = 0.70에서 0.65 사이에서 고스핀(S=2, mMn=3.7 μB)에서 저스핀(S=1, mMn=1.7 μB)으로의 자성 모멘트 붕괴가 발생하며, 이는 eg↑에서 t2g↓ 오비탈로의 전자 이동을 수반한다.
• V/V₀ = 0.65에서 P₀ = 92%이며, V/V₀ = 0.65에서 P₁ = 87%에 도달하여 여러 전도 영역에서 강한 전도 반도체 성질을 나타낸다.
• V/V₀ < 0.53(P > 300 GPa)에서 반도체 갭이 닫히며 금속 상태로의 전이가 나타나지만, FM-tHM 영역은 약 150 GPa까지 유지된다.
• 계산된 스핀 분리도 값은 La₀.₇Sr₀.₃MnO₃와 같은 도핑된 CMR 망간산염과 유사하여, 도핑되지 않은 LaMnO3가 고압 조건에서 CMR 유사 행동을 나타낼 수 있음을 확인한다.