First-principles study on the electronic structure of Pb10−Cu (PO4)6O (x = 0, 1)

兴奋剂 原子轨道 超导电性 材料科学 电子结构 凝聚态物理 费米能级 电子能带结构 带隙 结晶学 物理 化学 电子 量子力学
作者
Junwen Lai,Jiangxu Li,Peitao Liu,Yan Sun,Xing‐Qiu Chen
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:171: 66-70 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2023.08.001
摘要

Recently, Lee et al. reported the experimental discovery of room-temperature ambient-pressure superconductivity in a Cu-doped lead-apatite (LK-99) (arXiv:2307.12008, arXiv:2307.12037). Remarkably, the superconductivity persists up to 400 K at ambient pressure. Despite strong experimental evidence, the electronic structure of LK-99 has not yet been studied. Here, we investigate the electronic structures of LK-99 and its parent compound using first-principles calculations, aiming to elucidate the doping effects of Cu. Our results reveal that the parent compound Pb$_{10}$(PO$_4$)$_6$O is an insulator, while Cu doping induces an insulator-metal transition and thus volume contraction. The band structures of LK-99 around the Fermi level are featured by a half-filled flat band and a fully-occupied flat band. These two flat bands arise from both the $2p$ orbitals of $1/4$-occupied O atoms and the hybridization of the $3d$ orbitals of Cu with the $2p$ orbitals of its nearest-neighboring O atoms. Interestingly, we observe four van Hove singularities on these two flat bands. Furthermore, we show that the flat band structures can be tuned by including electronic correlation effects or by doping different elements. We find that among the considered doping elements (Ni, Cu, Zn, Ag, and Au), both Ni and Zn doping result in the gap opening, whereas Au exhibits doping effects more similar to Cu than Ag. Our work provides a foundation for future studies on the role of unique electronic structures of LK-99 in superconductivity.

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