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BaBiO3 中的电子关联和晶体结构畸变。

Electronic correlations and crystal structure distortions in BaBiO3.

机构信息

Institute of Metal Physics, Yekaterinburg, Russia.

出版信息

J Phys Condens Matter. 2012 Oct 17;24(41):415603. doi: 10.1088/0953-8984/24/41/415603.

DOI:10.1088/0953-8984/24/41/415603
PMID:23014377
Abstract

BaBiO3 is a material where Bi4+ ions with half-filled 6s-states form an alternating set of Bi3+ and Bi5+ ions resulting in a charge ordered insulator. The charge ordering is accompanied by breathing distortion of the BiO6 octahedra (extension and contraction of the Bi-O bond lengths). Standard density functional theory (DFT) calculations fail to obtain the crystal structure instability caused by the pure breathing distortions. Combining effects of the breathing distortions and tilting of the BiO6 octahedra allows DFT to reproduce qualitatively an experimentally observed insulator with monoclinic crystal structure but strongly underestimates the breathing distortion parameter and energy gap values. In the present work we reexamine the BaBiO3 problem within the GGA + U method using a Wannier function basis set for the Bi 6s-band. Due to the high oxidation state of bismuth in this material, the Bi 6s-symmetry Wannier function is predominantly extended spatially on surrounding oxygen ions and hence differs strongly from a pure atomic 6s-orbital. That is in sharp contrast to transition metal oxides (with exclusion of high oxidation state compounds) where the major part of the d-band Wannier function is concentrated on the metal ion and a pure atomic d-orbital can serve as a good approximation. The GGA + U calculation results agree well with experimental data, in particular with experimental crystal structure parameters and energy gap values. Moreover, the GGA + U method allows one to reproduce the crystal structure instability due to the pure breathing distortions without octahedra tilting.

摘要

BaBiO3 是一种材料,其中具有半满 6s 态的 Bi4+ 离子形成 Bi3+ 和 Bi5+ 离子的交替排列,导致电荷有序绝缘体。电荷有序伴随着 BiO6 八面体的呼吸变形(Bi-O 键长的伸长和收缩)。标准密度泛函理论(DFT)计算无法获得由纯呼吸变形引起的晶体结构不稳定性。结合呼吸变形和 BiO6 八面体倾斜的影响,DFT 可以定性地再现实验观察到的具有单斜晶体结构的绝缘体,但严重低估了呼吸变形参数和能隙值。在目前的工作中,我们在 GGA + U 方法中重新研究了 BaBiO3 问题,使用了 Bi 6s 带的 Wannier 函数基组。由于该材料中铋的高氧化态,Bi 6s 对称的 Wannier 函数在周围的氧离子上具有很强的空间扩展,因此与纯原子 6s 轨道有很大的不同。这与过渡金属氧化物(高氧化态化合物除外)形成鲜明对比,其中 d 带 Wannier 函数的主要部分集中在金属离子上,并且纯原子 d 轨道可以作为很好的近似。GGA + U 计算结果与实验数据吻合得很好,特别是与实验晶体结构参数和能隙值吻合得很好。此外,GGA + U 方法允许在不倾斜八面体的情况下再现由纯呼吸变形引起的晶体结构不稳定性。

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