[论文解读] First-principles calculation on the electronic structures, phonon dynamics, and electrical conductivities of Pb$_{10}$(PO$_4$)$_6$O and Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O compounds

Liyu Hao, Engang Fu|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Geochemistry and Geologic MappingComputer Science被引用 3

一句话总结

这项从头算研究调查了Pb₁₀(PO₄)₆O和Pb₉Cu(PO₄)₆O的电子、声子及电输运性质，确定后者为具有自旋极化导电性的半金属，并在c轴方向高于400 K时表现出异常的电导率增强，而两种化合物均通过负声子模式表现出动力学不稳定性，尽管有报道称LK-99具有高Tc超导性，但其实验实现仍面临挑战。

ABSTRACT

Superconducting materials with high critical temperature have the potential to revolutionize many fields, including military, electronic communications, and power energy. Therefore, Scientists around the world have been tirelessly working with the ultimate goal of achieving high temperature superconductivity. In 2023, a preprint by S. Lee et al in South Korea claimed the discovery of ultra-high-temperature superconductivity with a critical temperature of up to 423 K in Cu-doped lead-apatite (LK-99) (arXiv:2307.12008, arXiv:2307.12037), which caused a worldwide sensation and attention. Herein, the electronic structures, phonon dynamics, and electrical conductivities of LK-99 and its parent compound lead-apatite have been calculated using first-principles methods. The results show that the lead-apatite compound and the LK-99 compound are insulator and half-metal respectively. The flat band characteristic is consistent with previous calculations. The electrical conductivity of LK-99 compound shows two extreme point, and the electrical conductivity along the C-axis increases significantly after 400 K. The phonon dispersion spectra of the compounds were investigated, demonstrating their dynamic instability.

研究动机与目标

• 使用从头算方法评估Pb₁₀(PO₄)₆O和Pb₉Cu(PO₄)₆O的电子结构和电导率。
• 基于其电子和输运性质，研究LK-99（Pb₉Cu(PO₄)₆O）是否存在高温超导的潜力。
• 通过声子色 dispersion 计算评估两种化合物的动力学稳定性。
• 通过分析电子和振动性质，解决关于超导行为报告结果之间的矛盾。
• 鉴于其报道但未经验证的超导性，为Pb₉Cu(PO₄)₆O的实验合成提供理论指导。

提出的方法

• 使用VASP软件包中的投影缀加波（PAW）方法进行从头算计算。
• 采用广义梯度近似（GGA-PBE）泛函描述电子交换关联效应。
• 在电子结构计算中采用3×3×3的Monkhorst-Pack k点网格和520 eV的平面波截断能以实现收敛。
• 对Pb₉Cu(PO₄)₆O应用自旋极化计算以考虑Cu 3d磁矩，而对Pb₁₀(PO₄)₆O则使用非自旋极化计算。
• 通过BoltzTraP2软件包使用广义Drude模型计算电导率，并进行温度依赖性分析。
• 采用有限位移法计算声子色散关系，以评估动力学稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pb₉Cu(PO₄)₆O（LK-99）是电子金属态还是绝缘态，是否表现出半金属性质？
• RQ2 Pb₉Cu(PO₄)₆O的电导率如何随温度变化，特别是在c轴方向？
• RQ3 费米能级附近的平坦能带在这些化合物的电子响应中起什么作用？
• RQ4 从声子色散谱来看，Pb₁₀(PO₄)₆O和Pb₉Cu(PO₄)₆O结构是否具有动力学稳定性？
• RQ5 基于第一性原理的电子和振动性质，能否支持LK-99中报道的超导性？

主要发现

• Pb₁₀(PO₄)₆O是一种带隙与先前计算一致的带隙绝缘体，无金属特性。
• Pb₉Cu(PO₄)₆O表现出半金属性质：自旋向上电子为金属态，自旋向下电子为绝缘态，其费米能级处存在由O-2p与Cu-3d轨道杂化形成的两个半满平坦能带。
• Pb₉Cu(PO₄)₆O的电导率在c轴方向于400 K以上出现两个显著峰值并急剧上升，表明存在涉及1/4占据O原子及Cu/Pb链的一维导电通道。
• Pb₉Cu(PO₄)₆O的广义电导率比典型金属低3至4个数量级，仅凭输运性质难以支持高Tc超导性。
• 声子色散谱显示两种化合物均存在负模式，表明存在动力学不稳定性；Pb₉Cu(PO₄)₆O中存在两个低于-2 THz的模式，暗示强晶格非谐性。
• 动力学不稳定性意味着Pb₉Cu(PO₄)₆O并非稳定平衡相，可能仅在非平衡条件或小尺度下形成，这使得实验验证更加复杂。