[论文解读] Dynamical structural instability and a new crystal-electronic structure of infinite-layer nickelates

Chengliang Xia, Jiaxuan Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 4

一句话总结

本研究揭示，对于晚期镧系元素（R = Eu-Lu）的无限层镍氧化物RNiO₂，在四次对称P4/mmm相中呈现动力学不稳定，更倾向于形成能量更低的I4/mcm结构，该结构具有非同步的NiO₄平面旋转。这种畸变减小了Ni d带宽，降低了Ni d电子占据，增强了莫特物理特性，使I4/mcm相的RNiO₂比P4/mmm相更接近于超导铜氧化物。

ABSTRACT

We use first-principles calculations to find that in infinite-layer nickelates $R$NiO$_2$, the widely studied tetragonal $P4/mmm$ structure is only dynamically stable for early lanthanide elements $R$ = La-Sm. For late lanthanide elements $R$ = Eu-Lu, an imaginary phonon frequency appears at $A=(\pi,\pi,\pi)$ point. For those infinite-layer nickelates, condensation of this phonon mode into the $P4/mmm$ structure leads to a more energetically favorable $I4/mcm$ structure that is characterized by an out-of-phase rotation of `NiO$_4$ square'. Special attention is given to two borderline cases: PmNiO$_2$ and SmNiO$_2$, in which both the $P4/mmm$ structure and the $I4/mcm$ structure are local minimums, and the energy difference between the two structures can be fine-tuned by epitaxial strain. Compared to the $P4/mmm$ structure, $R$NiO$_2$ in the $I4/mcm$ structure has a substantially reduced Ni $d_{x^2-y^2}$ bandwidth, a smaller Ni $d$ occupancy, a `cleaner' Fermi surface with less contribution from lanthanide element $d$ orbitals, and a decreased critical $U_{ extrm{Ni}}$ to stabilize long-range antiferromagnetic ordering. All these features favor Mott physics and render $R$NiO$_2$ in the $I4/mcm$ structure a closer analogy to superconducting infinite-layer cuprates.

研究动机与目标

• 研究整个镧系元素系列中无限层镍氧化物RNiO₂在四次对称P4/mmm相的动力学稳定性。
• 识别在早期镧系元素之外驱动RNiO₂相变的结构不稳定性。
• 探讨外延应变如何调节Pm和Sm等边界情况中P4/mmm与I4/mcm相之间的能量景观。
• 评估I4/mcm相中电子结构的变化及其对莫特物理和反铁磁序的影响。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，通过声子色散关系识别表示动力学不稳定的虚频模式。
• 利用群论分析，识别A=(π,π,π)点处的软声子模式为导致结构畸变并进入I4/mcm空间群的序参量。
• 通过结构弛豫与能量最小化，确定每种R元素的基态结构。
• 分析电子能带结构、d轨道占据、费米面组成及反铁磁序稳定所需的临界U值。
• 在超胞模型中施加外延应变，调节PmNiO₂和SmNiO₂中P4/mmm与I4/mcm相之间的能量差。
• 比较两种相中Ni d轨道带宽、d占据以及与镧系元素4f/d态的杂化程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管在早期成员中P4/mmm相为基态，晚期镧系元素镍氧化物（R = Eu-Lu）的P4/mmm相仍表现出动力学不稳定性？
• RQ2 在A=(π,π,π)点处软声子模式的凝聚会引发何种结构畸变？其对称性与原子起源为何？
• RQ3 与P4/mmm相相比，I4/mcm相如何改变Ni d带宽、d占据及费米面拓扑结构？
• RQ4 I4/mcm结构对稳定长程反铁磁序所需的临界U_Ni有何影响？
• RQ5 在外延应变能否用于调控PmNiO₂和SmNiO₂等边界体系中P4/mmm与I4/mcm相的相对稳定性？

主要发现

• 对于R = Eu-Lu，P4/mmm相在A=(π,π,π)点处表现出虚频，表明存在动力学不稳定性。
• 该声子模式的凝聚导致形成能量更低的I4/mcm结构，其特征为NiO₄平面单元的非同步旋转。
• I4/mcm相中Ni d_{x²−y²}带宽显著小于P4/mmm相。
• I4/mcm结构中Ni d轨道占据减少，表明其具有更强的莫特绝缘体特性。
• I4/mcm相的费米面更为‘纯净’，来自镧系元素4f与d轨道的杂化显著减少。
• 在I4/mcm相中，稳定长程反铁磁序所需的临界U_Ni降低，进一步支持莫特物理特性。