Peierls transition, ferroelectricity, and spin-singlet formation in monolayer VOI2

凝聚态物理 铁电性 物理 单重态 反铁磁性 基态 从头算 正交晶系 结晶学 材料科学 电介质 量子力学 晶体结构 化学 激发态
作者
Yang Zhang,Ling-Fang Lin,Adriana Moreo,Gonzalo Álvarez,Elbio Dagotto
出处
期刊:Physical review 卷期号:103 (12) 被引量:26
标识
DOI:10.1103/physrevb.103.l121114
摘要

Using ab initio density functional theory and single-orbital Hubbard model calculations via the density matrix renormalization group method, we systematically studied the monolayer ${\mathrm{VOI}}_{2}$ with a $3{d}^{1}$ electronic configuration. Our phonon calculations indicate that the orthorhombic $Pmm2$ FE-II phase is the most likely ground state, involving a ferroelectric (FE) distortion along the $a$ axis and V-V dimerization along the $b$ axis. Specifically, the ``pseudo Jahn-Teller'' effect caused by the coupling between empty V (${d}_{xz/yz}$ and ${d}_{3{z}^{2}\ensuremath{-}{r}^{2}}$) and O $2p$ states is proposed as the mechanism that stabilizes the FE distortion from the paraelectric phase. Moreover, the half-filled metallic ${d}_{xy}$ band displays a Peierls instability along the $b$ axis, inducing a V-V dimerization. We also found very short-range antiferromagnetic coupling along the V-V chain due to the formation of nearly decoupled spin singlets in the ground state.
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