[论文解读] Electronic correlations in promising room-temperature superconductor Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O: a DFT+DMFT study

Dmitry M. Korotin, Dmitry Y. Novoselov+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2023

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 19被引用 9

一句话总结

本论文使用 DFT+DMFT 研究 Pb9Cu(PO4)6O (LK-99)，显示库仑相关性打开约 0.4 eV 的带隙，Cu d 与额外的 O p 状态在费米能级附近形成窄带，提出通过电子掺杂引入金属性。

ABSTRACT

We present results of the first investigations on the correlated nature of electronic states that cross the Fermi level in Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O aka LK-99 obtained within the DFT + DMFT approach. Coulomb correlations between Cu-$d$ electrons led to the opening of the band gap between the extra-O $p$ and Cu $d_{xz}/d_{yz}$ states. We state that oxygen $p$ states play a significant role in the electronic properties of LK-99. We also assume that doping with electrons is necessary to turn the stoichiometric Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O into conducting state.

研究动机与目标

• 研究 Pb9Cu(PO4)6O 在费米能级附近的相关电子结构。
• 评估 Cu d 与额外的 O p 状态在塑造电子性质中的作用。
• 评估库仑相关性如何修饰 DFT 能带结构以及潜在的超导行为。

提出的方法

• 使用 Quantum-ESPRESSO 进行 DFT 计算，采用 PBEsol，针对 Pb10(PO4)6O 推导结构采用 4x4x5 的 k 点网格。
• 从 Wannier 函数构建一个包含 Cu d 与额外的 O p 状态的小型哈密顿量（哈伯德型）。
• 采用 AMULET，通过 CT-QMC（杂化展开）在 β = 40 eV^{-1（T ≈ 290 K）下求解 DMFT 显式势阱问题，U = 1.8 eV。
• 分析谱函数以识别哈伯德带和由电子相关性导致的带隙形成。

Figure 1: Crystal structure of Pb 10 (PO 4 ) 6 O. The O4 site (referenced as extra-O in the text) has partial occupation of 0.25. In Pb 9 Cu(PO 4 ) 6 O copper ion substitutes one of Pb2 ions. Visualized using VESTA [ 19 ] .

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu d 与额外的 O p 状态在 Pb9Cu(PO4)6O 的费米能级附近是否形成窄带？
• RQ2 库仑相关性如何改变近费米电子结构，与 DFT 相比？
• RQ3 电子掺杂是否能将化学计量的 Pb9Cu(PO4)6O 转变为导电状态？
• RQ4 相关解中的带隙性质和磁矩的本质是什么？

主要发现

• 库仑相关性在 Pb9Cu(PO4)6O 中打开约 0.4 eV 的带隙。
• 两条窄的 Cu d_{xz}/d_{yz} 来源带与费米能级相交，宽度约为 ~120 meV。
• 哈伯德带出现在 Cu d 状态约 -1.1 eV 和 0.6 eV。
• 平均平方磁矩为 0.99 μB^2，对应于在二重简并的 e_g^σ 轨道中的一个空穴。
• 价带顶由额外的 O p_{x}+p_{y} 状态构成，表明氧 p 状态在电子性质中起重要作用。
• DFT+DMFT 结果在很大程度上改变了近费米带结构和费米面拓扑，凸显相关性的重要性。

Figure 2: Energy bands (left panel) and densities of states (right panel) for Pb 10 (PO 4 ) 6 O