KO$_2$中单斜畸变的起源及其对电子性质的影响

我们使用密度泛函理论和晶格动力学计算来研究超氧化钾 KO$_2$ 的性质，其中自旋、轨道和晶格自由度相互关联并决定低温相。在计算了高温四方 $I4/mmm$ 结构中的声子色散关系后，我们确定了一个导致单斜 $C2/c$ 对称性的软声子模，并优化了由该模产生的晶体几何结构。因此我们揭示了结构相变的一种位移型特征，且四方相与单斜相之间存在群-子群关系。我们比较了具有反铁磁自旋序的 KO$_2$ 在四方相和单斜相中的电子结构。我们强调，对电子结构的真实处理需要在 O$^-_2$ 离子的价轨道中包含局域库仑相互作用 $U$。‘哈伯德’ $U$ 的存在导致四方结构中在费米能级处打开能隙，该结构无轨道序但具有弱自旋轨道相互作用。我们指出，当在具有现实值 $U$ 的计算中引发轨道序时，也可在四方相中获得能隙打开。最后，我们表明局域库仑相互作用和有限晶格畸变通过扬-泰勒效应共同导致轨道序，是单斜结构中增强的绝缘能隙的成因。