基于第一性原理的羟基磷灰石光电性质与缺陷能级

羟基磷灰石（HAp）是哺乳动物骨骼与牙齿的重要组分，广泛用于修复植入物。尽管 HAp 在医学中十分重要，若干涉及该材料的有前景应用（例如光催化）取决于我们对其基本性质的理解程度。在未知或尚未精确知晓的性质中，有电子能带结构及与之相关的一切，包括带隙宽度。我们采用前沿方法，包括密度混合泛函理论与 GW 近似下的多体微扰理论，来研究 HAp 的光电性质。这些方法也应用于缺陷能级的计算。我们发现，在交换-关联泛函中混合（半）局域与精确交换，使能带结构得到显著改善。重要的副作用包括介电与光学性质描述的改进，不仅涉及导带（激发）态，也涉及价带。我们发现 HAp 高度色散的导带底源于沿 $\cdots\textrm{OH-OH-}\cdots$ 无限链的反键 $\sigma^{*}$ 态，暗示了导电一维冰相的形成。还以 OH 空位为测试模型，研究了交换-关联处理对缺陷能级计算的选择。我们发现半局域 DFT 所得的施主与受主跃迁与杂化 DFT 相差近 2 eV。如此大的偏差强调了在 HAp 缺陷电子与光学跃迁计算中采用高质量电子-电子相互作用描述的重要性。