Meta广义梯度密度泛函近似的工作机制探究：以量子自旋-霍尔绝缘体1T`-WTe2为例

量子自旋-霍尔（QSH）绝缘体因其在自旋器件中的有益应用而引发大量实验和理论研究。密度泛函理论（DFT）在描述QSH材料的电子结构时面临挑战。只有Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE06）包含自旋轨道耦合（SOC）时，才能揭示典型QSH 1T`-WTe2中的能隙打开，但计算需求增加。本文采用DFT、Wannier函数模拟、屏幕化混合HSE06泛函以及第一性原理基准的玻尔兹曼扰动理论GW方法，探讨了单层1T`-WTe2中复杂电子结构。我们使用先进的meta广义梯度（meta-GGA）密度泛函近似。近期SCAN和r2SCAN meta-GGAs的成功，使其前任meta-GGA简单化（MVS）被科学界忽视。大多数人未注意到，MVS相对于任何半局部近似（包括SCAN）都具有增加的能隙。我们发现，非经验的MVS近似在不依赖于精确交换、Hubbard U或SOC校正的情况下，即可得到正的基本能隙。我们通过阐述两种在meta-GGA近似中实现能隙的工作机制，解释了MVS对1T`-WTe2能隙的成功。此外，我们指出使用G0W0方法对1T`-WTe2的困难。尽管使用MVS参考进行的单次GW校正比基于PBE的GW结果更小，但G0W0@MVS仍不适用于模拟1T`-WTe2，由于其能隙为负。这些DFT及超DFT结果凸显了meta-GGAs的重要性以及具有增强动能密度依赖性的新型构建方案的价值。MVS近似重新成为准确描述1T`-WTe2的有吸引力的备选方案，为在高通量计算中探索其他二维QSH材料铺平了道路。