[论文解读] Electronic structure and magnetism in infinite-layer nickelates RNiO$_2$ (R= La-Lu)

Jesse Kapeghian, Antía S. Botana|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

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

一句话总结

这项从头算研究揭示，在无限层镍氧化物RNiO₂（R = La-Lu）中，面内Ni-O键长是电子结构和磁性性质的主导控制参数，所有化合物均表现出金属反铁磁基态。与铜氧化物不同，该基态具有在费米能级处固定的平坦Ni-dz²能带，同时具有dx²−y²特征，表明存在多轨道、高自旋的Ni-d⁸⁺δ构型，且该构型在整个镧系元素系列中尽管存在结构变化仍保持稳定。

ABSTRACT

Using first-principles calculations, we analyze the evolution of the electronic structure and magnetic properties of infinite-layer nickelates RNiO$_2$ (R= rare-earth) as R changes across the lanthanide series from La to Lu. By correlating these changes with in-plane and out-of-plane lattice parameter reductions, we conclude that the in-plane Ni-O distance is the relevant control parameter in infinite-layer nickelates. An antiferromagnetic ground state is obtained for all RNiO$_2$ (R=La-Lu). This antiferromagnetic state remains metallic across the lanthanide series and is defined by a multiorbital picture with low-energy relevance of a flat Ni-d$_{z^2}$ band pinned at the Fermi level, in contrast to cuprates. Other non-cuprate-like properties such as the involvement of R-$d$ bands at the Fermi level, a large charge transfer energy, and a suppressed superexchange are robust for all RNiO$_2$ materials.

研究动机与目标

• 理解电子结构和磁性在镧系元素系列中RNiO₂（R = La-Lu）的演化规律。
• 识别控制无限层镍氧化物中电子和磁性响应的关键结构参数。
• 确定在La/NdNiO₂中观察到的非铜氧化物类行为是否在整个R系列中持续存在。
• 评估反铁磁基态的稳定性，以及Ni-dz²能带在RNiO₂材料中的作用。

提出的方法

• 针对R = La-Lu的RNiO₂体系，采用GGA和GGA+U泛函进行了从头算密度泛函理论（DFT）计算。
• 利用PAW赝势优化结构参数，R的4f电子被处理为内层电子。
• 通过改变LaNiO₂的面内和面外晶格常数，分析其对电子结构和磁性的影响。
• 计算能带结构、态密度（DOS）和磁矩，以识别活性轨道和电子关联效应。
• 系统研究GGA+U方法中U参数的作用，评估高自旋态和平坦能带的出现。
• 开展晶格参数变化及其对能带色散和费米能级特征影响的对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 当R从La变为Lu时，RNiO₂的电子结构如何演化？
• RQ2 在面内和面外晶格常数中，哪一个参数对RNiO₂的电子和磁性性质影响最强？
• RQ3 RNiO₂中的反铁磁基态是否在整个镧系元素系列中保持金属性和多轨道特性，如同在La/NdNiO₂中一样？
• RQ4 Ni-dz²轨道在RNiO₂的磁性和电子响应中起什么作用，其行为在不同R离子中是否稳定？
• RQ5 此前在NdNiO₂中报道的在费米能级处固定的平坦d_z²能带是否可推广至其他RNiO₂化合物？

主要发现

• 面内Ni-O键长是RNiO₂中电子和磁性性质的主导控制参数，而面外晶格变化的影响可忽略不计。
• 所有RNiO₂化合物（R = La-Lu）均表现出金属反铁磁基态，与铜氧化物的绝缘行为相反。
• 在所有R离子和晶格参数下，平坦的Ni-dz²能带均固定在费米能级，表明其具有与铜氧化物不同的强轨道特征。
• 在LaNiO₂中，当面内晶格常数减少4%时，磁矩从~0.7 μB（GGA）略微降低至~0.6 μB，与杂化减弱一致。
• 在GGA+U框架下，当U从0增加到5.4 eV时，Ni磁矩从~0.7 μB增加至~1.3 μB，表明发生从低自旋到高自旋的转变。
• 平坦的d_z²能带特征在所有R离子和晶格参数下均保持稳定，表明在无掺杂条件下普遍存在电荷、自旋或晶格有序的倾向。