[论文解读] Competition between exchange-driven dimerization and magnetism in diamond(111)

Betül Pamuk, Matteo Calandra|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 40被引用 16

一句话总结

本研究揭示了金刚石(111)表面中交换驱动的二聚化与磁性之间的竞争关系，表明杂化泛函（PBE0/HSE06）预测出无自旋极化的二聚化、绝缘态基态，而自旋极化则稳定为具有2.2 eV直接带隙的亚铁磁性、非二聚化态。结果突显了电子关联在决定平坦能带体系基态中的关键作用。

ABSTRACT

Strong electron-electron interaction in ultraflat edge states can be responsible for correlated phases of matter, such as magnetism, charge density wave or superconductivity. Here we consider the diamond(111) surface that, after Pandey reconstruction, presents zig-zag carbon chains, generating a flat surface band. By performing full structural optimization with hybrid functionals and neglecting spin polarization, we find that a substantial dimerization ($0.090$ {\\AA} / $0.076$ {\\AA} bond disproportionation in the PBE0/HSE06) occurs on the chains; a structural effect absent in calculations based on the LDA/GGA functionals. This dimerization is the primary mechanism for the opening of an insulating gap in the absence of spin polarization. The single-particle direct gap is $1.7$ eV ($1.0$ eV) in the PBE0 (HSE06), comparable with the experimental optical gap of $1.47$ eV, and on the larger(smaller) side of the estimated experimental single particle gap window of 1.57-1.87 eV, after inclusion of excitonic effects. However, by including spin polarization in the calculation, we find that the exchange interaction stabilizes a different ground state, undimerized, with no net magnetization and ferrimagnetic along the Pandey $\\pi$-chains with magnetic moments as large as $0.2-0.3~\\mu_B$ in the PBE0. The direct single-particle band gap in the equal spin-channel is approximately $2.2$ eV ($1.5$ eV) with the PBE0 (HSE06) functional. Our work is relevant for systems with flat bands in general and wherever the interplay between structural, electronic and magnetic degrees of freedom is crucial, as in twisted bilayer graphene, IVB atoms on IVB(111) surfaces such as Pb/Si(111) or molecular crystals.

研究动机与目标

• 为解决金刚石(111)表面基态长期存在的争议，特别是结构二聚化与电子磁性之间的相互作用。
• 研究电子关联效应（特别是交换与关联）如何调控超平坦表面能带的电子与结构性质。
• 确定观测到的绝缘带隙是由二聚化还是自旋极化引起，使用先进的密度泛函理论泛函进行分析。
• 将金刚石(111)表面与其它关联体系（如扭曲双层石墨烯和ABC堆叠多层石墨烯）进行比较。
• 为理解平坦能带体系中结构、电子与磁性自由度共存时的竞争不稳定现象提供理论框架。

提出的方法

• 采用杂化密度泛函（PBE0与HSE06）进行全结构优化，引入精确交换项，以提高对强关联体系的计算精度，优于LDA/GGA方法。
• 开展非磁性与自旋极化计算，比较二聚化与非二聚化基态的稳定性。
• 通过k点网格收敛性测试确保带隙计算的可靠性，结果表明带隙对k点密度高度敏感。
• 将计算得到的能带结构与实验ARPES数据进行对比，验证价带最大值位于K点。
• 分析单粒子直接带隙与自旋分辨带隙，以判断绝缘态的性质（莫特绝缘体或斯莱特绝缘体）。
• 通过对比计算带隙与实验光学带隙1.47 eV，评估激发态效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金刚石(111)表面能带中，二聚化还是磁性主导了带隙打开的机制？
• RQ2 与LDA/GGA泛函相比，杂化泛函（PBE0、HSE06）如何影响结构与电子性质？
• RQ3 电子关联在稳定竞争性基态（二聚化绝缘体与亚铁磁态）中起什么作用？
• RQ4 计算得到的能带结构与实验ARPES数据的吻合程度如何？哪种泛函（PBE0或HSE06）提供最佳一致性？
• RQ5 金刚石(111)表面能否被视为理解扭曲双层石墨烯等平坦能带体系中竞争不稳定性现象的原型？

主要发现

• 在无自旋极化条件下，杂化泛函预测出二聚化结构，C-C键长差异分别为0.090 Å（PBE0）与0.076 Å（HSE06），并打开绝缘带隙。
• 单粒子直接带隙为1.7 eV（PBE0）与1.0 eV（HSE06），接近实验光学带隙1.47 eV，且在考虑激发态效应后落入1.57–1.87 eV范围内。
• 在自旋极化条件下，基态变为非二聚化、亚铁磁性，由交换相互作用稳定，每个碳原子的磁矩为0.2–0.3 μB。
• 多数自旋通道的直接带隙为2.2 eV（PBE0）与1.5 eV（HSE06），表明呈现斯莱特绝缘体行为。
• 自旋极化计算得到的能带结构与ARPES数据吻合最佳，尤其在PBE0泛函下表现更优。
• 结果表明，为准确描述平坦能带体系，必须在结构、电子与磁性等多个层次上同时考虑电子-电子关联作用。