[论文解读] Improved electronic structure prediction of chalcopyrite semiconductors from a semilocal density functional based on Pauli kinetic energy enhancement factor

Ghosh, Arghya, Jana, Subrata+4 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Chalcogenide Semiconductor Thin Films被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种基于泡利动能增强因子的MGGAC元-GGA泛函，以改进黄铜矿半导体中电子结构的预测。该泛函在计算成本显著更低的情况下，实现了与杂化泛函相当的带隙预测性能，且在预测阴离子位移参数u和d电子局域化方面优于标准的局域泛函。

ABSTRACT

The correct treatment of d electrons is of prime importance in order to predict the electronic properties of the prototype chalcopyrite semiconductors. The effect of d states is linked with the anion displacement parameter u, which in turn influences the bandgap of these systems. Semilocal exchange-correlation functionals which yield good structural properties of semiconductors and insulators often fail to predict reasonable u because of the underestimation of the bandgaps arising from the strong interplay between d electrons. In the present study, we show that the meta-generalized gradient approximation (meta-GGA) obtained from the cuspless hydrogen density (MGGAC) [Phys. Rev. B 100, 155140 (2019)] performs in an improved manner in apprehending the key features of the electronic properties of chalcopyrites, and its bandgaps are comparative to that obtained using state-of-art hybrid methods. Moreover, the present assessment also shows the importance of the Pauli kinetic energy enhancement factor, $\alpha=( au- au^W)/ au^{unif}$ in describing the d electrons in chalcopyrites. The present study strongly suggests that the MGGAC functional within semilocal approximations can be a better and preferred choice to study the chalcopyrites and other solid-state systems due to its superior performance and significantly low computational cost.

研究动机与目标

• 为解决标准局域泛函在黄铜矿半导体中因对d电子关联处理不佳而导致带隙和结构参数预测不准确的问题。
• 评估先进元-GGA泛函（MGGAC、SCAN和TM）在预测黄铜矿材料结构、电子和热力学性质方面的能力。
• 阐明泡利动能增强因子 α = (τ − τW)/τunif 在描述此类体系中d电子行为中的作用。
• 证明MGGAC可作为杂化和GW方法在黄铜矿材料中的计算高效且准确的替代方案。

提出的方法

• MGGAC泛函基于无尖点氢原子密度构建，结合了精确泡利动能和均匀电子气极限的约束条件。
• 该泛函利用泡利动能增强因子 α = (τ − τW)/τunif 来描述d电子的非局域性和局域化效应。
• 采用VASP代码，基于PBE、MGGAC、SCAN和TM泛函执行密度泛函理论（DFT）计算。
• 计算并比较了各泛函在结构性质、带隙、生成焓和阴离子位移参数u方面的表现。
• 通过与实验数据以及高精度GW和杂化泛函结果对比，对性能进行基准测试。
• 通过分析τ（非局域动能）和τW（冯·维萨克动能）的行为，研究α在捕捉d电子局域化中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 MGGAC元-GGA泛函能否准确预测黄铜矿半导体（如CuGaS2和CuAlS2）的带隙？
• RQ2 引入泡利动能增强因子α如何影响d电子局域化的描述及带隙预测？
• RQ3 MGGAC在预测阴离子位移参数u和结构稳定性方面是否优于标准GGA及其他元-GGAs（如SCAN和TM）？
• RQ4 MGGAC在保持极低计算成本的同时，能在多大程度上实现与杂化或GW方法相当的精度？
• RQ5 α = (τ − τW)/τunif在捕捉富含d电子的黄铜矿电子结构中的物理意义是什么？

主要发现

• MGGAC泛函预测的黄铜矿半导体带隙与实验值及杂化泛函结果高度一致，显著优于标准GGA和LDA。
• 阴离子位移参数u（与d电子局域化和带隙相关）由MGGAC准确预测，而标准局域泛函则表现不佳。
• 泡利动能增强因子 α = (τ − τW)/τunif 被证实对描述黄铜矿中d电子的非局域特征和局域化行为至关重要。
• MGGAC在计算成本仅为杂化泛函（如HSE）的数个数量级更低的情况下，实现了相当的精度，使其适用于大规模研究。
• 在所测试的元-GGAs中，MGGAC在包括CuGaS2、CuAlS2和CuInSe2在内的多个黄铜矿体系中展现出最一致且可靠的性能。
• 本研究证实，通过α引入动能和电子局域化的精确约束，可显著提升局域泛函对强关联d电子体系的描述能力。