Ab initiostudy of the (0001) surfaces of hematite and chromia: Influence of strong electronic correlations

从头算 电子结构 凝聚态物理 电子相关 克罗米亚 材料科学 费米能级 物理 结晶学 电子 氧化物 化学 量子力学 冶金
作者
Alexander Rohrbach,J. Häfner,Georg Kresse
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:70 (12) 被引量:382
标识
DOI:10.1103/physrevb.70.125426
摘要

We present a detailed ab initio investigation of the stability, the structural, electronic, and magnetic properties of the (0001) surfaces of hematite $({\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{O}}_{3})$ and chromia or eskolaite $({\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{O}}_{3})$. Strong electron correlation effects not included in a density-functional description are described by a Hubbard-type on-site Coulomb repulsion (the $\mathrm{DFT}+U$ approach). For bulk chromia we find, complementing our recent work on hematite [Rollmann et al., Phys. Rev. B 69, 165107 (2004)] that the inclusion of correlation effects leads to an improved description of the structural, electronic, and magnetic properties. In particular, the increased exchange splitting of the $d$ band changes the character of the insulating gap from a pure $d\text{\ensuremath{-}}d$ Mott-Hubbard type to intermediate between $d\text{\ensuremath{-}}d$ and charge-transfer insulator. For both oxides, the strong correlation effects have a dramatic influence on the surface stability: oxygen-terminated surfaces are strongly disfavored because of the increased energetic cost of stabilizing a higher oxidation state of the transition metal close to the surface. The stability of metal-terminated surfaces even under oxidizing conditions agrees with the most recent STM and LEED data. For ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}(0001)$ where detailed experimental information on the surface structure is available, quantitative agreement of the calculated surface relaxations is achieved. Detailed results on the surface electronic structure (valence-band spectra and core-level shifts) and the surface magnetic properties are presented.
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