通过不同精确交换分数降低过渡金属氧化物的自相互作用误差
材料科学
2026-04-13 v4 强关联电子
化学物理
计算物理
摘要
密度泛函理论（DFT）在化学和材料科学中旨在实现“化学精度”，但由于需要对精确交换-相关（XC）能量泛函进行近似，目标受到挑战。rSCAN 作为 XC 泛函的元广义梯度近似，满足 XC 能量的 17 项精确约束，显著提升了分子和材料的预测精度。然而，rSCAN 在预测开放 \textit{d} 和 \textit{f} 过渡金属强相关化合物的性质（如带隙、磁矩和氧化能）仍不够准确。rSCAN 能量的预测不准主要源于函数驱动和密度驱动的误差，主要来自 DFT 的自相互作用误差。我们提出了 rSCANY@rSCANX 方法，以降低 XC 泛函的自相互作用误差，从而准确模拟过渡金属氧化物的电子性质、磁性和热化学性质。rSCANY@rSCANX 使用不同的完全哈特曼-福克克交换比例：X 用于电子密度，Y 用于总能量的密度泛函近似，从而同时解决函数驱动和密度驱动的误差。仅基于 1（或最多 2）个参数且对 \emph{s}-p 键合系统保持不变，我们展示了 rSCANY@rSCANX 在 20 种高度相关氧化物上的预测结果优于 rSCAN，甚至超越了预测强相关材料的高参数化 DFT(rSCAN)+\emph{U} 方法——这一领域的前沿方法。通过 rSCAN10@rSCAN50 和 rSCAN10@rSCAN 分别显著降低了过渡金属氧化物氧化能和磁矩的预测不确定性，并实现带隙预测。rSCAN10@rSCAN50 降低了 rSCAN 和 rSCAN10 中能量的密度驱动误差。
引用
@article{arxiv.2506.20635,
title = {Reducing Self-Interaction Error in Transition-Metal Oxides with Different Exact-Exchange Fractions for Energy and Density},
author = {Harshan Reddy Gopidi and Ruiqi Zhang and Yanyong Wang and Abhirup Patra and Jianwei Sun and Adrienn Ruzsinszky and John P. Perdew and Pieremanuele Canepa},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.20635},
year = {2026}
}