杂化泛函应用于半导体和绝缘体结构与电子特性的比较研究

我们提出了一项系统研究，阐明了密度泛函理论中现有杂化泛函在多种半导体和绝缘体的结构与电子特性方面的有效性与局限性。三种杂化泛函——Perdew、Ernzerhof和Becke的PBE0，Heyd、Scuseria和Ernzerhof的HSE，以及一种长程校正（LC）泛函——被实现在一个成熟的平面波基组方案并结合模守恒赝势中，从而使我们能够在同等基础上评估每种泛函对这些材料特性的适用性。我们在本文中考察的材料涵盖了从共价材料到离子材料，以及稀有气体固体，其实验测定的带隙在 0.6 eV - 14.2 eV 范围内：即 Ge、Si、BaTiO$_3$、$\beta$-GaN、金刚石、MgO、NaCl、LiCl、Kr 和 LiF。我们发现，杂化泛函计算得到的体变模量比广义梯度近似（GGA）提供的结果与实验符合得更好，而杂化泛函和GGA计算得到的晶格常数则表现出相当的精度。与GGA相比，使用杂化泛函计算这十种原型材料的能带隙和价带宽度显示出显著改善。特别是，我们发现LC-杂化泛函能很好地再现离子材料以及稀有气体固体的带隙，而HSE泛函则能很好地描述共价材料的带隙。我们还考察了由库仑相互作用的短程和长程分量引起的交换效应，并提出了一种处理交换能时短程与长程分离的最佳方案。