Влияние электрон-электронного взаимодействия на свойства соединений Fe4O5 и CaFeO3 под давлением

И.В. Леонов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург

 

В рамках метода DFT+DMFT проводилось исследование свойств недавно синтезированного оксида Fe4O5 (Fe2.5+, структура вида CaFe3O5) в области давлений ~100 ГПа, дополненное результатами рентгеновской дифракции высокого разрешения и измерениями сопротивления (экспериментальные измерения выполнены в группе G. Kh. Rozenberg, Tel Aviv). В области низких давлений Fe4O5 представляет собой диэлектрик с узкой запрещенной зоной, характеризующийся зарядовым упорядочением (CO) Вервей-типа структурно отличных ионов Fe. Под давлением Fe4O5 претерпевает серию изоструктурных электронных и магнитных переходов, с аномальным компрессионным поведением выше ~50 ГПа. Расчеты, в согласии с экспериментом, показывают сайт-зависимый коллапс локальных магнитных моментов при ~50 ГПа с последующим сайт-селективным переходом диэлектрик-метал при ~84 ГПа на октаэдрических узлах Fe (валентность призматических ионов Fe меняется с 2+ на 3+, при этом электронное состояние данных ионов остается диэлектрическим). Было дано микроскопическое описание зарядового упорядочения в Fe4O5, характеризующегося сложной конкуренцией различных CO паттернов в области низких температур. В дополнение, в рамках DFT+DMFT была вычислена электронная структура и фазовое равновесие системы CaFeO3. Было показано, что CaFeO3 является диэлектриком с отрицательным переносом заряда, который характеризуется сильной локализацией 3d электронов. Показано, что соединение кристаллизуется в моноклинной структуре с кооперативным «breathing-mode» искажением решетки. При этом формируется связь-диспропорционированное состояние ионов Fe A 3d5-d L2-d и Fe B 3d5 с d < 1. При сжатии выше ~41 ГПа CaFeO3 претерпевает фазовый переход диэлектрик-металл, сопровождающийся структурным превращением и подавлением «breathing-mode» искажения решетки. Показано, что переход диэлектрик-металл связан с орбитально-зависимой делокализацией 3d электронов. 

 
 
Рис. 1. Фазовая диаграмма давление-температура для Fe4O5.

 

  1. Verwey-Type Charge Ordering and Site-Selective Mott Transition in Fe4O5 under Pressure / S. Layek, E. Greenberg, S. Chariton, M. Bykov, E. Bykova, D. M. Trots, A. V. Kurnosov, I. Chuvashova, S. V. Ovsyannikov, I. Leonov, G. Kh. Rozenberg // Journal of the American Chemical Society. — 2022. — V. 144. — P. 10259 — 10269.
  2. Metal-insulator transition and local-moment collapse in negative charge transfer CaFeO3 under pressure / I. Leonov // Physical Review B. — 2022. — V. 105. — P. 35157 — 35165.