[论文解读] Electronic, structural, and magnetic properties of LaMnO$_3$ phase transition at high temperature

Pablo Rivero, Vincent Meunier+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 9

一句话总结

本研究采用10%哈特ree-福克交换的温度依赖性杂化密度泛函理论（DFT）方法，精确描述了LaMnO₃在低温相与高温相之间的电子、结构和磁性转变。研究识别出Q₂ Jahn-Teller模式的软化是绝缘体到金属转变的关键驱动力，并首次通过DFT证实了高温LaMnO₃中存在半金属铁磁态。

ABSTRACT

We develop a procedure to determine the portion of exact Hartree-Fock exchange interaction contained in a hybrid density functional to treat the range of electronic correlation governing the physics of a system as a function of a thermodynamical parameter. This includes systems that depend on physical parameters accessible to experiment (i.e., temperature, pressure, composition, etc.) or those composed of two or more materials such as heterostructures and interfaces. This approach is applied to LaMnO$_3$ where for the first time we are able to simulate the high temperature insulator-to-metal transition (IMT) and observe a half-metallic orbital disorder ferromagnetic state using density functional theory. In particular, we show that the softening of the extit{Q$_2$} Jahn-Teller mode plays a central role in driving the IMT. These findings are likely to motivate the investigation of heterostructures and bulk materials that contain a range of electronic correlation in similar material systems.

研究动机与目标

• 开发一种单一杂化DFT泛函，能够随温度变化准确描述LaMnO₃中电子关联的全范围行为。
• 解决长期以来在准确模拟高温绝缘体-金属转变（IMT）及其伴随的磁性和结构变化方面的挑战。
• 确定主导驱动LaMnO₃相变的Jahn-Teller模式。
• 确定能够一致捕捉低温A-AFM绝缘态与高温FM金属态的最优哈特ree-福克交换（HFX）混合参数。
• 揭示高温相中半金属铁磁态的出现，该态此前仅在压力下被观测到。

提出的方法

• 构建具有可变哈特ree-福克交换（HFX）混合（5%和10%）的杂化DFT泛函，以随温度调节电子关联强度。
• 选定PBE-10泛函（10% HFX，90% PBE交换）作为最优单一泛函，可重现LaMnO₃的低温相与高温相。
• 采用自旋极化计算的密度泛函理论方法，模拟磁有序态（A-AFM与FM）和结构畸变（Jahn-Teller畸变、八面体倾斜）。
• 对靠近费米能级的Mn 3d-e_g轨道进行投影态密度（PDOS）分析，评估Jahn-Teller畸变引起的电子简并与能级劈裂。
• 开展Jahn-Teller模式分析（Q₂与Q₃），评估晶格畸变对相变的作用，特别是Q₂模式的软化行为。
• 该方法通过单一泛函实现跨相的电子、磁性和结构性质的一致比较，避免了因泛函切换导致的不一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在杂化DFT泛函中，何种最优哈特ree-福克交换混合比例能够准确描述LaMnO₃的低温A-AFM绝缘相与高温FM金属相？
• RQ2 在高温下，何种Jahn-Teller畸变模式（Q₂或Q₃）是主导驱动LaMnO₃绝缘体-金属转变的机制？
• RQ3 LaMnO₃的高温相是否表现出半金属特性？若存在，其在何种条件下得以稳定？
• RQ4 高温下Jahn-Teller畸变的减弱及局部对称性的提高如何影响Mn 3d-e_g轨道的简并性？
• RQ5 尽管存在强自旋-电荷-晶格耦合，单一杂化泛函是否能够描述LaMnO₃随温度升高而产生的全范围电子关联行为？

主要发现

• PBE-10杂化泛函（10% HFX，90% PBE交换）成功一致地再现了LaMnO₃的低温A-AFM绝缘态与高温FM金属态，电子与磁性性质保持一致。
• 仅在高温FM金属相中，Q₂ Jahn-Teller模式表现出显著软化，表明其是驱动绝缘体-金属转变的主要模式。
• 高温相表现出半金属铁磁态，Mn 3d-e_g轨道几乎简并，PDOS分析证实费米能级上方存在部分填充能带。
• 高温下Jahn-Teller畸变的减弱导致形成准立方结构，a与b晶格参数近乎相等，Mn位点的局部对称性提高。
• 高温相中轨道简并性导致e_g轨道的占据概率接近50-50，类似于混合熵效应，从而稳定了金属态。
• 所有高温构型中Q₃ Jahn-Teller模式几乎完全缺失，证实其在相变中作用微弱。