[论文解读] Single neutral substitutional 3d-transition metal in GeTe and GeSb2Te4 by the screened exchange functional

Huanglong Li, Luping Shi|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 48被引用 4

一句话总结

本研究采用带有屏蔽交换的杂化泛函，研究立方GeTe和GeSb2Te4中单个中性取代型3d过渡金属（TMs）的电子结构，以修正LDA中因自相互作用误差导致的3d电子态过度离域化问题。研究发现，Fe掺杂在Ge/Sb位点时，其多数自旋d带完全占据，而少数自旋d态为空，与先前LDA预测结果不同；同时发现仅在扭曲的GeSb2Te4中Co取代表现出磁对比度，表明使用对称性较高的晶体近似模型难以准确描述非晶GST的磁行为。

ABSTRACT

Fe doped GST has shown experimentally the ability to alter its magnetic properties by phase change. In this work, we use screened exchange hybrid functional to study the single neutral substitutional 3d transition metal (TM) in crystalline GeTe and GeSb2Te4. By curing the problem of local density functional (LDA) such as over delocalization of the 3d states, we find that Fe on Ge/Sb site has its majority d states fully occupied while its minority d states are empty, which is different than previous predicted electronic configuration by LDA. From early transition metal Cr to heavier Ni, the majority 3d states are gradually populated until fully occupied and then the minority 3d states begin to be filled. In order to study the magnetic contrast, we use lower symmetry crystalline GeTe and GeSb2Te4 as the amorphous phases, respectively, which has been proposed to model the medium range disordering. We find that only Co substitution in r-GeSb2Te4 and s-GeSb2Te4 shows magnetic contrast. The experimental magnetic contrast for Fe doped GST may be due to additional TM-TM interaction, which is not included in our model. It can also be possible that these lower symmetry crystalline models are not sufficient to characterize the magnetic properties of real 3d TM doped amorphous GST.

研究动机与目标

• 解决标准LDA中自相互作用误差对过渡金属掺杂的硫属化物中3d电子局域化的影响。
• 确定单个中性3d-TM掺杂剂在GeTe和GeSb2Te4中的正确电子与磁性构型。
• 评估GeSb2Te4的低对称性晶体相是否可有效模拟非晶GST中的中程无序性，以实现磁对比度。
• 澄清实验观测到的Fe掺杂GST中磁对比度与先前基于LDA的理论预测之间的矛盾之处。

提出的方法

• 应用带有屏蔽交换的杂化泛函（HSE）以修正局域密度近似（LDA）中固有的自相互作用误差。
• 对立方GeTe和GeSb2Te4中Ge与Sb位点的单个中性取代型3d-TM掺杂剂进行计算建模。
• 采用GeSb2Te4的扭曲、低对称性变体（r-和s-GeSb2Te4）来模拟非晶GST中的中程无序性。
• 分析电子结构，包括d带填充度、自旋极化度与轨道布居数，以评估磁性行为。
• 将预测的电子构型与先前基于LDA的结果进行对比，突出泛函依赖性差异。
• 通过分析多数与少数自旋d态的能级分裂与占据情况，评估磁对比度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准LDA相比，带有屏蔽交换的泛函如何改变GeTe和GeSb2Te4中3d-TM掺杂剂的预测电子构型？
• RQ2 为何Fe掺杂的GST在实验中表现出磁对比度，而先前LDA预测却未显示？
• RQ3 在低对称性晶体结构中，哪些3d-TM掺杂剂在GeSb2Te4中表现出磁对比度？
• RQ4 低对称性GeSb2Te4晶体相在多大程度上能准确反映真实非晶GST的电子与磁性特性？
• RQ5 TM-TM相互作用在Fe掺杂GST中生成磁对比度的过程中起什么作用？为何本模型中该效应缺失？

主要发现

• 在GeSb2Te4中，Fe掺杂在Ge/Sb位点时，其多数自旋d带完全占据，而少数自旋d态为空，与早期LDA预测的不完全填充结果相矛盾。
• 从Cr到Ni，多数3d态依次填充直至完全占据，此后少数d态才开始占据。
• 仅在r-GeSb2Te4和s-GeSb2Te4中Co取代表现出可测量的磁对比度，表明其对局部对称性破缺具有选择性响应。
• Fe掺杂GST中实验观测到的磁对比度与理论预测之间的差异，可能源于单掺杂模型中未考虑的TM-TM相互作用。
• GeSb2Te4的低对称性晶体模型可能不足以捕捉非晶GST的真实磁性行为，提示当前建模方法存在局限性。