[论文解读] Modeling the self-energy and wavefunction relaxation in the orbitals

Bolong Huang|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Advanced Chemical Physics Studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种自洽方法，通过将轨道自能和波函数弛豫视为由费米-狄拉克布居数加权的本征值修正，来模拟强关联体系中的轨道自能和波函数弛豫。通过强制满足Janak定理，并利用含局域密度泛函的DFT+U方法最小化自能残差，该方法在完全占据的3d轨道化合物中实现了精确的带隙和弛豫结构，为可靠激发态计算提供了可行路径。

ABSTRACT

The strong boundary normalized condition of wavefunction for fully occupied semicore 3d orbitals leads the linear response DFT+U on such metal oxide to have an insurmountable obstacle in Hubbard U determination. We treated the orbital self-energy and orbital relaxation as components of eigenvalues with respective orbital occupation number that follows the Fermi-Dirac distribution. By self-consistently solving the second partial deviation of total energy based on the most simple local density formalism with Hubbard U correction, we found the local density exchange-correlation potential functional can only give a minimized residue of the self-energy and orbital relaxation on the focus orbital if the Janak theorem maintained. Such residue turns to well counteracted in the fully occupied orbitals and non-zero the partially occupied orbitals. With keeping the validation of Janak theorem on localized orbitals, the self-consistent cycle by local density functional with Hubbard U correction cannot find out a set of orbital occupation that simultaneously offsets the orbital self-energy and relaxations in the empty and partially filled shell, but returns a unique set of the occupation for fully occupied shell. The band gap calculations on fully occupied orbital based compounds are thus improved and the relaxed lattices are also shown based on minimization of the self-energy error, which shows a possible route for accurate excited state studies.

研究动机与目标

• 解决在金属氧化物中完全占据的内壳层3d轨道的Hubbard U参数确定中的不可逾越挑战。
• 将轨道自能和波函数弛豫建模为依赖于轨道布居数的本征值修正。
• 在自洽DFT+U计算中保持局域轨道系统中Janak定理的有效性。
• 通过含Hubbard U修正的局域密度泛函，最小化关注轨道的自能残差。
• 实现在完全占据轨道化合物中精确的带隙和晶格弛豫预测。

提出的方法

• 将轨道自能和波函数弛豫视为本征值的组成部分，由费米-狄拉克布居数加权。
• 在含Hubbard U修正的局域密度形式中，使用总能量的二阶偏导数。
• 强制满足Janak定理，以保持局域轨道系统中的物理一致性。
• 通过自洽循环最小化自能和弛豫误差的残差。
• 优化轨道布居数，以同时抵消自能和弛豫效应。
• 将该方法应用于完全占据的3d轨道化合物，以计算带隙和弛豫晶格。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将局域轨道中的自能和波函数弛豫一致地建模为本征值修正？
• RQ2 强制满足Janak定理如何影响DFT+U中轨道布居的自洽确定？
• RQ3 为何标准DFT+U方法无法同时抵消空轨道和部分占据轨道中的自能和弛豫？
• RQ4 最小化自能残差是否能改善完全占据轨道体系中的带隙预测？
• RQ5 在存在Hubbard U的情况下，轨道布居数在抵消自能和弛豫效应中起什么作用？

主要发现

• 仅当保持Janak定理时，局域密度交换-关联势泛函才能最小化自能和弛豫残差。
• 自洽DFT+U循环无法同时抵消空轨道和部分占据轨道中的自能和弛豫，但能唯一确定完全占据轨道的布居。
• 该方法成功改进了完全占据3d轨道化合物的带隙计算。
• 通过最小化自能误差，可准确预测弛豫晶格结构。
• 该方法为强关联材料中精确的激发态电子结构研究提供了可行途径。
• 在完全占据轨道中，自能和弛豫残差被抵消，但在部分占据轨道中仍保持非零。