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Combined first-principles and model Hamiltonian study of RMnO₃ (R=La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd)
Murthy Sowmya Sathyanarayana
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*innen
Georg Kresse ,
Cesare Franchini
DOI
10.25365/thesis.28649
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29723.91373.299853-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Perovskite sind Übergangsoxide (TMO, kurz für Transition Metal Oxides), gehören zu den so genannten „stark-korrelierten“ Systemen und zeigen ein Wechselspiel von strukturellen, elektronischen und magnetischen Phenomänen. Dieses Wechselspiel führt zu komplexen Orbital- und Spin-geordneten Zuständen, welche große theoretische und experimentelle Beachtung finden. Zu dieser Klassse der TMO gehört zum Beispiel der orthorombische RMnO3 Perovskite, der auch als Ausgangsstoff für die sogenannten colossal-magneto resistance (CMR) Manganite dient. Aus theoretischer Sicht wurden diese Verbindungen mittels ab initio Methoden und Model-Hamiltonians behandelt. Ab initio Simulationen basieren auf zwei wesentlichen Theorien: der Hartree-Fock (HF) und der Dichte-Funktional-Theorie (DFT). Letztere beruht auf der Abbildung des vollständig wechselwirkenden Vielteilchen-Problems auf ein vereinfachtes nichtwechselwirkendes Einteilchen-Problem. Auf der anderen Seite basieren Model-Hamiltonians typischerweise auf modifizierte Hubbard-Hamiltonians, deren einfachste Form der Tight-Binding-Hamiltonian (TB-Hamiltonian) ist. Ein weiterer Ansatz ist die Kombination von ab-initio Methoden und Model-Hamiltonians, wie es zum Beispiel in der Dynamical-Mean-Field Theorie (DFT+DMFT) behandelt wird.
In dieser Dissertation untersuchen wir die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Ausgangsstoffe folgender Manganite RMnO3 (R=La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd). Mit Hilfe von ab initio Berechnungen betrachten wir insbesondere die 3d eg Bänder im Sinne von maximal lokalisierten Wannier-Funktionen (MLWFs, Maximal Localized Wannier Functions). Diese wurden mittels dem VASP2WANNIER90 Interface bestimmt. Zur Bestimmung der Austausch- und Korrelationsenergie werden folgende Approximationen angewendet: (i) DFT mittels Perdew-Burke-Enzerhof (PBE), (ii) PBE+U, mit U als on-site Hubbard Elektron-Elektron Abstoßung, (iii) Hybrid Funktionale, mit einer Mischung aus DFT und HF durch Hinzunahme von ¼ exakten Austauschbeitrags aus HF im PBE Funktional, sowie (iv) der GW-Methode. Desweiteren berechnen wir Parameter für einen effektiven eg TB-Hamiltonian über folgende zwei Model-Parametrisierungen: (a) implizite Elektron-Elektron Wechselwirkung (WW): der Effekt durch die beyond-DFT Methoden reflektieren sich in veränderten TB Parametern; (b) explizite Elektron-Elektron WW ergibt den Hubbard-U Parameter. Nach der Bestimmung von den elektronischen und magnetischen Grundzustandseigenschaften der RmnO3 Reihe auf dem Level von PBE, PBE+U, HSE und GW wurden die ab-initio Bandstrukturen in eine TB Beschreibung überführt. Die eg TB Dispersion aus allen Methoden stimmt gut mit denen aus der MLWF überein. Wir stellen einen kompletten Satz von TB Parametern zur verfügung, welche on-site und hopping-Parameter beinhalten und als Richtlinie für zukünftige Untersuchungen von Vielteilchen-Hamiltonians dienen. In unserer Untersuchung stellen wir fest, dass die Hund'sche Kopplungssträrke (J_H), die Jahn-Teller Kopplungsstärke und der Hubbard-U Parameter nahezu in allen Elementen der RmnO3 Reihe konstant bleiben. Das spiegelt sich in der Tatsache wieder, dass sich die Bandlücke und die Abschirmeigenschaften nicht stark zwischen LaMnO3 und GdMnO3 unterscheiden und dass alle RMnO3 Elemente die Eigenschaft eines Mott-Hubbard Isolators aufweisen. Außerdem beobachten wir eine monotone Abnahme der Hopping-Amplitude für die am nächsten benachbarten Mn Atome. Dies wird auch durch die Veränderung des Toleranzfaktors bestätigt. Es wurden Gesamtenergien von verschiedenen magnetischen Konfigurationen in einen klassischen Heisenberg Hamiltonian abgebildet. Die daraus berechneten Austauschparameter dienten zur Ableitung der Neel Temperatur (T_N) in einer mean-field Abschätzung für die komplette RMnO3 Serie. Wir zeigen, dass sich die Neel Temperatur entlang der RmnO3 Serie genauso entwickelt wie im Experiment festgestellt wird: Die monotone Abnahme von T_N korreliert mit der Modulation der strukturellen Eigenschaften. Dies zeigt sich in der ganzen RMnO3 Reihe durch die Abnahme der korrigierten Winkel zwischen Mn-O-Mn, des Volumens und des Toleranzfaktors.
Abstract
(Englisch)
Perovskite transition metal oxides (TMOs) which fall under the so-called strongly correlated" systems exhibit an interplay of structural, electronic and magnetic phenomena which lead to complex orbital- and spin-ordered states which have attracted a lot of attention, theoretically and experimentally. Among this class of TMOs the orthorhombic RMnO3 perovskites (where R3+ is a rare-earth cation), are mainly known as the parent compounds of colossal-magneto resistance (CMR) manganites. Theoretically, these compounds have been historically studied using (a) First-principles simulations (b) Model Hamiltonians. First principles simulation studies are based on two main theories namely the Hartree-Fock (HF) and Density Functional Theory (DFT) in which the intractable many-body problem is mapped into a simplified one-electron theory. Model Hamiltonians are typically based on Hubbard Hamiltonians or tight-binding (TB) Hamiltonians. Another approach to study these compounds are based on combination of both First-principles simulations and the Model-Hamiltonians, as done for instance in DFT+DMFT (Dynamical mean field theory) schemes.
In this thesis, we investigate the electronic and magnetic properties of the parent compounds of manganites RMnO3 (R = La, Pr, Nd, Sm, Eu and Gd), by performing the ab-initio calculations and down fold the physically important 3d eg bands by means of maximally localized Wannier functions (MLWFs) by using the VASP2WANNIER90 interface. The ab initio analysis was conducted at different levels of theory for what concern the treatment of the exchange-correlation interaction: (i) DFT in the Perdew Burke-Ernzerhof (PBE) approximation; (ii) PBE+U, where U is the on site Hubbard-like electron-electron repulsion; (iii) Hybrid Functionals, a suitable mixing of DFT and HF via the inclusion of a portion (1/4) of exact HF exchange in the PBE functional and (iv) GW. We calculate the tight binding parameters for an effective eg tight-binding Model Hamiltonian using two types of model parametrization: (a) el-el interaction is treated implicitly: the changes in the beyond-DFT treatment are incorporated and reflected in the TB parameters. (b) el-el interaction is treated explicitly and the value for Hubbard-U is obtained.
We have first investigated the ground state electronic and magnetic properties at PBE, PBE+U, HSE and GW level of the whole RMnO3 series and then we have mapped the obtained ab initio band structure into a TB description. The eg TB dispersion at all levels of calculations (PBE, PBE+U, HSE, GW0) are found to match closely the MLWFs. We provide a complete set of TB parameters, including both on-site and hopping interactions, which should serve as a guidance for the interpretation of future studies based on many-body Hamiltonian approaches. In particular, we found that the Hund's coupling strength (JH), the Jahn-Teller coupling strength and Hubbard-U remain nearly constant in all members of the RMnO3 series (and this reflects the fact that the band gap and the screening properties do not change much from LaMnO3 to GdMnO3, and that all RmnO3 compounds remain in a Mott-Hubbard insulating state), whereas the nearest neighbour hopping amplitudes shows a monotonic attenuation as expected from the trend of the tolerance factor.
In addition to this, by mapping the ab-initio total energies for different magnetic configurations into a classical Heisenberg Hamiltonian we have computed the most relevant exchange parameters and derived a mean field estimation of the Neel temperatures (TN) across the RMnO3 series. We show that the evolution of the computed TN follows very closely the corresponding measured values. The observed monotonic decrease of TN can be nicely correlated with the modulation of the structural properties, and in particular with the progressive rectification of the Mn-O-Mn angle which is associated with the quenching of the
volume and the decrease of the tolerance factor due to the reduction of the ionic radii of R going from La to Gd.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
strongly-correlated Ab initio Simulations Model-Hamiltonians VASP2WANNIER90 Bandstrukturen
Schlagwörter
(Deutsch)
stark-korrelierten Ab initio Simulationen Model-Hamiltonians VASP2WANNIER90 Bandstrukturen
Autor*innen
Murthy Sowmya Sathyanarayana
Haupttitel (Englisch)
Combined first-principles and model Hamiltonian study of RMnO₃ (R=La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd)
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung von RMnO3 mittels Kombination von ab-initio und Model Hamiltonian Methoden
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
XXII, 168 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stefano Sanvito ,
Josef Redinger
AC Nummer
AC11021306
Utheses ID
25578
Studienkennzahl
UA | 791 | 411 | |