[論文レビュー] High-throughput determination of Hubbard U and Hund J values for transition metal oxides via linear response formalism

Guy C. Moore, Matthew K. Horton+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 36

ひとこと要約

この論文は、線形応答を用いてサイト局在の Hubbard U および Hund J パラメータを2000超の遷移金属酸化物に対して自動化・高スループットで計算し、非共線磁性構造（LiNiPO4）と格子定数への影響を実証する。

ABSTRACT

DFT+U provides a convenient, cost-effective correction for the self-interaction error (SIE) that arises when describing correlated electronic states using conventional approximate density functional theory (DFT). The success of a DFT+U(+J) calculation hinges on the accurate determination of its Hubbard U and Hund's J parameters, and the linear response (LR) methodology has proven to be computationally effective and accurate for calculating these parameters. This study provides a high-throughput computational analysis of the U and J values for transition metal d-electron states in a representative set of over 2000 magnetic transition metal oxides (TMOs), providing a frame of reference for researchers who use DFT+U to study transition metal oxides. In order to perform this high-throughput study, an atomate workflow is developed for calculating U and J values automatically on massively parallel supercomputing architectures. To demonstrate an application of this workflow, the spin-canting magnetic structure and unit cell parameters of the multiferroic olivine LiNiPO4 are calculated using the computed Hubbard U and Hund J values for Ni-d and O-p states, and are compared with experiment. Both the Ni-d U and J corrections have a strong effect on the Ni-moment canting angle. Additionally, including a O-p U value results in a significantly improved agreement between the computed lattice parameters and experiment.

研究の動機と目的

• 第一原理ベースの環境依存的な Hubbard U および Hund J 値が自己相互作用誤差を補正するために必要であるという動機づけ。
• 大規模材料集合に対して線形応答を介して U および J を計算する体系的で予測的かつ転用可能な方法を提供する。
• d- および O-p 状態に対する U および J を取得する自動化・並列化ワークフロー（atomate/VASP）を開発・展開する。
• 遷移金属と酸化物中の酸素にわたる U および J の分布と環境依存性を分析する。
• 実験データと比較しつつ、ケーススタディ（LiNiPO4）でこれらパラメータの物理的影響を示し、実験データと比較する。

提案手法

• サイト局在ポテンシャル摂動によるエネルギーの総和の曲率を測定して U および J を決定する線形応答（LR）定式化を用いる。
• 相関応答行列 chi および 非相関応答行列 chi0 を計算し、U および J をマッピング（例：スピン非依存の場合には U = (chi0^-1 - chi^-1) などの式を適用；スピン分解 chi への拡張と U および J へのマッピングについて議論する）。
• atomate フレームワーク内でスピンチャネルのスクリーニングとサイト間／スピンチャネルのスクリーニング解析を可能にするスピン偏極 LR ワークフローを実装する。
• PAW/PBE擬ポテンシャル、520 eV カットオフ、50 k 点/逆格子オングストロームを用い、2000 超の TM 酸化物に対して VASP で DFT+U+J の補正を実施する。
• U および J の傾向を解釈するため Mn-d, Fe-d, Ni-d および O-p サイトの焦点分析を提供し、O-p 状態の非常に大きな U 値（約 10 eV）を含む。
• 計算された U_eff = U − J の値を Materials Project（MP）のベンチマークと比較し、(特に W の場合) リラクゼーションによる形成エネルギーの差異を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 d ブロック遷移金属および O-2p 状態におけるHubbard U および Hund J の分布と環境依存性はどうなるか？
• RQ2 LR 由来の U および J 値は実材料の磁性特性と構造パラメータ（非共線磁性状態を含む）にどのような影響を与えるか？
• RQ3 LR 由来の U および J は実用的に経験的に適合させた MP 値とどのように比較され、ハイスループット予測にはどのような影響を与えるか？
• RQ4 O-p 補正を含めることが格子定数と磁気相互作用に与える影響は何か？
• RQ5 LR ワークフローは大規模材料データセットに対して U および J を堅牢に生成するためにスケールすることができるか？

主な発見

• U 値は Mn- d、Fe- d、Ni- d、O- p サイト間で元素および環境依存の分布を示す。
• O- p 状態は高いエネルギー曲率と酸素の化学的硬さを反映して大きな U 値（約10 eV）を示す。
• 計算された U_eff 値は Co、Cr、Fe、Ni、W などのいくつかの元素で MP の経験的値と異なり、特定のケース（例えば W）では大幅な差異が生じる。
• LR 由来の U および J 補正を含めると LiNiPO4 の Mn および Ni の磁気モーメントとスピンカンティングに顕著な影響があり、O- p の U を加えることで格子定数の実験値との一致が改善される。
• 高スループットで自動化された LR ワークフローを atomate に実装し、2000 以上の TM-酸化物化合物に適用して、U および J の広範な参照を提供した。