[论文解读] Metallization and Spin Fluctuations in Cu-doped Lead Apatite

Yang Sun, Kai‐Ming Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2023

Theoretical and Computational Physics被引用 4

一句话总结

本研究采用从头算DFT和RPA计算方法，研究掺铜铅磷灰石（LK99），发现Cu在Pb2位点的取代会诱导出具有局域化、刚性铁磁性Cu-O团簇的半导体态，而Pb1位点的取代则导致金属化。该体系由于无序的磁性团簇而表现出自旋玻璃样行为，且无长程磁序，量子自旋涨落稳定了局域磁矩，表明金属相与绝缘相之间存在竞争，且无长程磁序。

ABSTRACT

An electronic structure and magnetic properties analysis of the recently proposed Cu-doped lead apatite is performed. We show that electronic structures of differently Cu-substituted structures are characterized by localized molecular Cu-O bands at or near the Fermi level. The Cu substitutions can happen at both Pb1 and Pb2 sites, leading to metallic and semiconducting states differently. The electronic states in these bands are highly unstable magnetically and form clusters of rigidly ferromagnetically coupled magnetic moments on Cu and neighboring oxygen atoms with a total moment of about 1 $μ_B$. The ground state of uniformly Cu-doped lead apatite appears to be magnetic and semiconducting. The non-uniform distribution of two Cu atoms at the nearest Pb2 sites leads to an antiferromagnetic semiconducting state with formation energy close to uniformly distributed Cu configurations. The inclusion of quantum spin fluctuations confirms the stability of magnetic Cu-O clusters. Our calculations revealed the absence of the long-range magnetic order between uniformly distributed Cu-O clusters, creating the spin glass type of system.

研究动机与目标

• 阐明掺铜铅磷灰石（LK99）中金属化与半导体行为的电子与磁性起源。
• 确定Cu在Pb1与Pb2位点不同掺杂构型的稳定性和电子结构。
• 研究局域磁矩与自旋涨落对稳定或破坏超导或磁性相的作用。
• 评估长程磁序的可能性以及Cu-O团簇之间磁相互作用的性质。
• 评估在自旋涨落存在下，金属与半导体基态之间的竞争关系。

提出的方法

• 使用VASP软件中的投影缀加平面波（PAW）方法，基于PBE、LDA和LDA+U泛函的从头算密度泛函理论（DFT）计算。
• 采用520 eV的动能截断能和精细的k点采样（2π×0.017 Å⁻¹）进行结构弛豫与电子结构计算。
• 利用自研的FLAPW代码，结合混合乘积基组，计算自旋磁化率与交换耦合参数。
• 采用随机相 approximation（RPA）以包含量子自旋涨落，并评估其对磁稳定性的影响。
• 应用Stoner模型估算居里温度，并评估磁矩的局域性与巡游性。
• 通过比较不同Cu掺杂构型的形成能，评估热力学稳定性与有序倾向。

实验结果

研究问题

• RQ1 当Cu取代Pb1与Pb2位点时，掺铜铅磷灰石的电子结构与稳定性如何？
• RQ2 Cu及其邻近O原子上的局域磁矩如何形成，其磁耦合行为如何？
• RQ3 自旋涨落在稳定或抑制掺铜磷灰石中局域磁矩方面起什么作用？
• RQ4 该体系是否表现出长程磁序，或在零温下呈现自旋玻璃样行为？
• RQ5 不同Cu掺杂构型如何影响金属相与半导体相的共存？

主要发现

• Cu在Pb2位点的取代导致约0.4 eV带隙的半导体基态，而Pb1位点的取代则导致金属化。
• 靠近费米能级的局域分子态Cu-O能带形成具有约1 μB总磁矩的刚性铁磁耦合CuO3团簇。
• 由于CuO3团簇之间缺乏长程磁序，该体系在T=0K时表现出自旋玻璃样行为，尽管局域磁矩很强。
• RPA计算证实，量子自旋涨落并未破坏CuO3团簇上的局域磁矩，表明其稳定性。
• Stoner温度估计为2500–3000 K，支持Cu磁矩的局域性以及铁磁团簇的鲁棒性。
• 在最近邻Pb2位点处非均匀分布的Cu导致反铁磁性半导体态，其形成能与均匀分布构型几乎相等，表明无强烈有序偏好。