[論文レビュー] Detailed analysis of the performance of the modified Becke-Johnson potential

J. A. Camargo-Martínez, R. Baquero|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2012

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 110

ひとこと要約

この論文は、半導体におけるバンドギャップの予測を改善するために、Wien2Kコード内での修正ベーケ・ジョンソン関数（mBJLDA）の評価を行う。41個の半導体のバンド構造を計算することで、実験的バンドギャップとの一致が顕著に向上することが示され、特にLDAとGGAの格子定数の平均値を用いることで、その改善が顕著になる。しかし、残存する問題から、この問題はまだ完全には解決されていないことが示唆される。

ABSTRACT

Very recently, in the 2011 version of the Wien2K code, the long standing short come of the codes based on Density Functional Theory, namely, its impossibility to account for the experimental band gap value of semiconductors, was overcome. The novelty is the introduction of a new exchange and correlation potential, the modified Becke-Johnson potential (mBJLDA). In this letter, we report our detailed analysis of this recent work. We calculated using this code, the band structure of forty one semiconductors and found an important improvement in the overall agreement with experiment as Tran and Blaha [{\it Phys. Rev. Lett.} 102, 226401 (2009)] did before for a more reduced set of semiconductors. We found that by using the average of the two lattice parameters (LDA and GGA) a better agreement with the band gap experimental value is systematically obtained. On the other hand, the band structure calculated with the mBJLDA potential seems, at first sight, a simple rigid displacement of the conduction bands towards higher energies. We conclude that, in spite of the very important improvement in the band gap agreement with experiment using the new mBJLDA potential, there are issues that point to the fact that this problem is not yet totally closed.

研究の動機と目的

• 修正ベーケ・ジョンソン関数（mBJLDA）が半導体のバンドギャップを予測する性能を評価すること。
• 密度汎関数理論（DFT）ベースのコードが半導体の実験的バンドギャップを過小評価するという長年の限界を是正すること。
• LDAとGGAの格子定数を平均化することで、バンドギャップの精度が向上するかどうかを調査すること。
• mBJLDAが引き起こすバンド構造の構造的およびエネルギー的変化を分析すること。

提案手法

• Wien2Kコード内にmBJLDAポテンシャルを適用し、電子構造計算を実施すること。
• mBJLDAポテンシャルを用いて41個の半導体のバンド構造を計算すること。
• LDAとGGAの結果から得られる平均格子定数を用いて、構造的入力の精度を向上させること。
• 計算されたバンドギャップと実験値を比較し、精度を評価すること。
• mBJLDA下でのバンド構造のシフト、特に伝導帯のずれを分析すること。
• 広範な半導体のセットにわたるポテンシャルの性能を体系的に評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mBJLDAポテンシャルは、標準的なDFT汎関数と比較して、どの程度バンドギャップの予測を改善するか？
• RQ2 LDAとGGAの間の平均格子定数を用いることで、実験的バンドギャップとの一致がさらに向上するか？
• RQ3 mBJLDAポテンシャルは、特に伝導帯位置にどのようにバンド構造を変化させるか？
• RQ4 バンドギャップの一致が著しく向上しているにもかかわらず、mBJLDAアプローチに系統的な偏差や未解決の問題が残っているか？

主な発見

• mBJLDAポテンシャルは、41個の半導体において、計算値と実験値のバンドギャップの一致を顕著に改善する。
• LDAとGGAの格子定数の平均値を用いることで、実験的バンドギャップ値との一致が体系的に向上する。
• mBJLDA計算における伝導帯は、標準的なDFT汎関数と比較してほぼ剛体的に上向きにシフトしている。
• 顕著な改善が見られるものの、論文は未解決の問題を特定し、DFTにおけるバンドギャップ問題がまだ完全には解決されていないことを示唆する。