[論文レビュー] Re-t2g-splitting-driven semiconductor gaps in ferrimagnetic double perovskite Ca2MReO6 (M=Cr,Fe) from first principles

Sai Gong, San‐Dong Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 43被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、mBJ交換ポテンシャルを用いた第一原理DFT計算を用いて、Ca₂MReO₆（M = Cr, Fe）がジャン＝テラー歪みに起因するRe 5d t₂gバンドの分裂によって駆動される、内在的な電子的ギャップを有するフェリマグネティック半導体であることを示した。ギャップは0.38 eVおよび0.05 eVであり、これはスピン反対側の電子状態で、満たされたdxy+dxz二重項と空のdyz単重項を形成する結晶場分裂に起因する。このギャップはスピン軌道結合が存在しても安定であることが確認され、従来のDFT-GGAでは絶縁的挙動を予測できなかった問題が解消された。

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.

研究の動機と目的

• Ca₂CrReO₆およびCa₂FeReO₆における実験的非金属的挙動と、従来のDFT-GGAによる金属的状態予測との間に生じる矛盾を解消すること。
• 特に単斜晶P2₁/n構造および高いCurie温度を示すこれらの二重Perovskiteにおける半導体ギャップの起源を特定すること。
• スピン軌道結合（SOC）が電子構造、磁気異方性、ギャップ安定性に与える影響を調査すること。
• 遷移金属酸化物におけるDFT-GGAのバンドギャップ過小評価を是正するため、mBJポテンシャルを用いた信頼性の高い電子状態構造モデルを確立すること。

提案手法

• 電子的および磁気的構造計算に、密度汎関数理論（DFT）におけるフルポテンシャル線形化 augmented平面波（FP-LAPW）法を用いる。
• 強相関系に特に適したバンドギャップの精度を向上させるために、修正されたBecke-Johnson（mBJ）交換ポテンシャルを用いる。
• 原子核内状態に対して径方向ディラック方程式の自己無撞撃的解法を用い、価電子状態に対してスカラー相対論的取り扱いを適用することで、スピン軌道結合（SOC）を組み込む。
• 幾何構造最適化にGGA交換相関関数を用い、その後最適化された構造に対してmBJ計算を実施する。
• 単斜晶系における磁化方向の変更を用いて、磁気的キラリティエネルギー（MCA）を計算する。
• 原子d軌道への密度状態の射影を用い、軌道的寄与およびスピン分裂メカニズムを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改善された交換関数を用いた正確なモデル化において、Ca₂CrReO₆およびCa₂FeReO₆の真の電子的基底状態は金属的か、半導体的か？
• RQ2 部分的に占有されたRe 5d t₂gバンドと単斜晶歪みを示すこれらのフェリマグネティック二重Perovskiteにおいて、半導体ギャップを駆動する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 スピン軌道結合は、これらの系のバンド構造、磁気モーメント、ギャップサイズにどのように影響を与えるか？
• RQ4 なぜ標準的なGGA-DFT計算は、Ca₂MReO₆（M=Cr,Fe）において実験的に観察された絶縁的挙動を予測できないのか？
• RQ5 スピン軌道結合下でも半導体ギャップは安定か？その起源は軌道分裂および対称性の破れとしてどのように解釈できるか？

主な発見

• フル構造最適化を通じて、Ca₂CrReO₆およびCa₂FeReO₆の基底状態構造が単斜晶P2₁/nであることが確認された。
• mBJ-DFT計算により、それぞれ0.38 eVおよび0.05 eVの半導体ギャップが得られ、GGAによる誤った金属的予測が是正された。
• 半導体ギャップは、ジャン＝テラー歪みに起因するRe 5d t₂gバンドの分裂に起因し、スピン反対側の電子状態で満たされたdxy+dxz二重項と空のdyz単重項が形成されることに起因する。
• スピン軌道結合を考慮した場合、ギャップは0.31 eVおよび0.03 eVに減少するが、バンド分裂の強固さにより絶縁的性質が保持された。
• スピン軌道結合により、全磁気モーメントは式単位あたりそれぞれ0.209 μBおよび0.258 μB増加し、スピンダウン状態の混合に起因する非整数モーメントが生じた。
• 磁気的キラリティが強く、容易軸が擬立方晶[010]方向にあるため、スピントロニクス応用への可能性を示している。