Pressure-induced one-dimensional oxygen ion diffusion channel in lead apatite

材料科学 兴奋剂 磷灰石 超导电性 扩散 离子 能量(信号处理) 物理 结晶学 凝聚态物理 矿物学 热力学 化学 量子力学
作者
Ri He,Hongyu Wu,Xuejian Qin,Xuejiao Chen,Zhicheng Zhong
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (22)
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.224114
摘要

Recently, Lee et al. claimed the experimental observation of room-temperature ambient-pressure superconductivity in a Cu-doped lead apatite $[{\mathrm{Pb}}_{10\ensuremath{-}x}{\mathrm{Cu}}_{x}{(\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{4})}_{6}\mathrm{O}]$ [S. Lee et al., arXiv:2307.12008 and arXiv:2307.12037]. The study revealed the Cu doping induces a chemical pressure, resulting in a structural contraction of one-dimensional Cu-O-Cu atomic column. This unique structure promotes a one-dimensional electronic conduction channel along the $c$ axis mediated by the O atoms, which may be related to superconductivity. These O atoms occupy 1/4 of the equivalent positions along the $c$ axis and exhibit a low diffusion activation energy of 0.8 eV, indicating the possibility of diffusion between these equivalent positions. Here, using a machine-learning based deep potential, we predict the pressure-induced fast diffusion of 1/4-occupied O atoms along the one-dimensional channel in ${\mathrm{Pb}}_{10}{(\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{4})}_{6}\mathrm{O}$ at 500 K, while the frameworks of Pb triangles and $\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{4}$ tetrahedra remain stable. The calculation results also indicate Cu doping can provide appropriate effective chemical pressure, indicating the one-dimensional ion diffusion channel may appear in ${\mathrm{Pb}}_{9}\mathrm{Cu}{(\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{4})}_{6}\mathrm{O}$, even at ambient pressure. Our finding shows that the one-dimensional ion diffusion channel may be an important factor to affect the fabrication and electrical measurement of doped lead apatite.
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