metaGGA 泛函在描述过渡金属氟化物方面的准确性

在过渡金属氟化物 (TMFs) 的化学空间内，利用密度泛函理论 (DFT) 准确预测材料性质对于推进多项技术应用至关重要。DFT 中最先进的半局域交换 - 相关泛函包括强约束且适当归一化 (SCAN) 泛函和恢复正则化 SCAN (r$^2$SCAN) 泛函，两者均为 meta 广义梯度近似 (metaGGA) 泛函。SCAN 和 r$^2$SCAN 在模拟过渡金属的关联 $d$ 电子时都容易受到自相互作用误差 (SIEs) 的影响。因此，在本工作中，我们评估了这两种泛函在估算 TMFs 性质（包括氧化还原焓、晶格几何结构、原位磁矩和带隙）方面的准确性。我们观察到 SCAN 和 r$^2$SCAN 在估算 TMFs 的氟化焓时准确性较差，这归因于 $d$ 电子间的 SIEs。因此，我们基于二元 TMFs 的实验氟化焓推导出了这两种泛函的最佳 Hubbard $U$ 修正值。值得注意的是，线性响应理论为 V、Fe 和 Ni 氟化物产生了非物理的 $U$ 值。虽然将最佳 $U$ 值添加到 metaGGA 泛函中不会显著影响晶格体积和磁矩，但会显著增加计算出的带隙。此外，我们计算了 Mn、Fe、Co 和 Ni 氟化物中的平均 Na 嵌入电压，以检验我们最佳 $U$ 值的可迁移性。总体而言，我们建议使用 Hubbard $U$ 修正来提高其他 TMFs 中氧化还原焓的预测精度，而对于带隙预测，我们建议使用未修正的泛函。最后，我们的研究应能提高基于 DFT 的筛选研究的准确性，从而发掘可用于储能、催化和磁性器件等各种应用的新型 TMFs。