[论文解读] Testing the r$^2$SCAN density functional for the thermodynamic stability of solids with and without a van der Waals correction

Manish Kothakonda, Aaron D. Kaplan+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2022

nanoparticles nucleation surface interactions被引用 4

一句话总结

本研究评估了r2SCAN泛函及其色散校正变体r2SCAN+rVV10在超过1,000种固体中的热力学稳定性预测性能。结果表明，r2SCAN在保持与SCAN相当的精度的同时，数值稳定性更优；而r2SCAN+rVV10在细胞体积预测上略为准确，且维持了形成焓的预测精度，因此两种泛函在高通量材料发现中均具有可靠性。

ABSTRACT

A central aim of materials discovery is an accurate and numerically reliable description of thermodynamic properties, such as the enthalpies of formation and decomposition. The r$^2$SCAN revision of the strongly constrained and appropriately normed (SCAN) meta-generalized gradient approximation (meta-GGA) balances numerical stability with high general accuracy. To assess the r$^2$SCAN description of solid-state thermodynamics, we evaluate the formation and decomposition enthalpies, equilibrium volumes, and fundamental bandgaps of more than 1,000 solids using r$^2$SCAN, SCAN, and PBE, as well as two dispersion-corrected variants, SCAN+rVV10 and r$^2$SCAN+rVV10. We show that r$^2$SCAN achieves accuracy comparable to SCAN and often improves upon SCAN's already excellent accuracy. Whereas SCAN+rVV10 is often observed to worsen the formation enthalpies of SCAN, and makes no substantial correction to SCAN's cell volume predictions, r$^2$SCAN+rVV10 predicts marginally less-accurate formation enthalpies than r$^2$SCAN, and slightly more-accurate cell volumes than r$^2$SCAN. The average absolute errors in predicted formation enthalpies are found to decrease by a factor of 1.5 to 2.5 from the GGA level to the meta-GGA level. Smaller decreases in error are observed for decomposition enthalpies. For formation enthalpies r$^2$SCAN improves over SCAN for intermetallic systems. For a few classes of systems -- transition metals, intermetallics, weakly-bound solids, and enthalpies of decomposition into compounds -- GGAs are comparable to meta-GGAs. In total, r$^2$SCAN and r$^2$SCAN+rVV10 can be recommended as stable, general-purpose meta-GGAs for materials discovery.

研究动机与目标

• 评估r2SCAN元-GGA泛函在固体中的热力学精度，与SCAN、PBE及其色散校正变体进行比较。
• 评估rVV10色散校正对r2SCAN和SCAN在预测形成焓与分解焓、平衡体积及带隙方面的影响。
• 确定r2SCAN在多种固态体系中是否相比SCAN展现出更优的数值稳定性和预测精度。
• 识别特定体系的性能趋势，特别是过渡金属、金属间化合物及弱键合固体。
• 为r2SCAN和r2SCAN+rVV10在高通量材料发现工作流中的通用用途提供推荐。

提出的方法

• 使用r2SCAN、SCAN、PBE、SCAN+rVV10和r2SCAN+rVV10对1,015种固体（934种二元化合物和81种三元化合物）计算了形成焓与分解焓、平衡体积及基本带隙。
• 采用rVV10色散校正，其中r2SCAN+rVV10的参数b=11.95，SCAN+rVV10的参数b=15.7，以考虑长程范德华相互作用。
• 以Isaacs等人提供的实验数据作为参考形成焓和结构参数。
• 比较各泛函在形成焓与分解焓、晶胞体积及带隙上的平均绝对误差（MAEs）。
• 通过小提琴图分析误差分布，并评估各类材料（如氧化物、过渡金属、金属间化合物、弱键合固体）中的性能表现。
• 评估元-GGA中非局域动能密度（τ）对金属和窄带隙半导体中磁矩与带隙的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 r2SCAN在预测固体形成焓与分解焓方面与SCAN和PBE相比表现如何？
• RQ2 与SCAN+rVV10相比，rVV10色散校正对r2SCAN在预测热力学性质方面的精度有何影响？
• RQ3 r2SCAN是否在保持高精度的同时，相比SCAN提升了数值稳定性？
• RQ4 在哪些材料类别中（如过渡金属、金属间化合物、层状固体），GGA在形成焓预测中优于meta-GGA？
• RQ5 r2SCAN与r2SCAN+rVV10在预测基本带隙方面精度如何，特别是在窄带隙绝缘体和金属中？

主要发现

• 从GGA（PBE）到元-GGA（r2SCAN）水平，形成焓的平均绝对误差降低了1.5至2.5倍。
• r2SCAN在形成焓预测精度上与SCAN相当，并在金属间化合物体系中表现更优。
• r2SCAN+rVV10在形成焓预测上略逊于r2SCAN，但在平衡晶胞体积预测上更准确。
• 在分解焓方面，从GGA到元-GGA的误差降低幅度小于形成焓，所有泛函在Type 2分解中误差均低于30 meV/atom。
• r2SCAN与r2SCAN+rVV10在数值稳定性上优于SCAN，且由于其较低的b参数（11.95）相比SCAN+rVV10（15.7），r2SCAN+rVV10提供了更兼容的色散校正。
• r2SCAN在窄带隙绝缘体中有时会高估带隙，这一趋势与TASK等其他元-GGA一致；而r2SCAN与SCAN在宽带隙绝缘体中均低估了带隙。