Perspective: The HSE Screened Hybrid and the Band Gap Problem: Origins, Impact, and the Contenders
Rice University(莱斯大学)
本文回顾HSE屏蔽杂化泛函的起源与影响,评估半局域和杂化泛函在固体带隙计算中的最新进展,指出meta-GGA和介电常数依赖型杂化等竞争者正逼近HSE精度。
2026-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Efficient many-body calculations of 2D materials using exact limits for the screened potential: Band gaps of MoS$_2$, hBN, and phosphorene
在GW自能近似下计算二维(2D)材料的准粒子(QP)能带结构已被证明是一项相当苛刻的计算任务。主要原因是$\mathbf{q} = \mathbf{0}$周围的2D介电函数的强$\mathbf{q}$依赖性,这要求比类似的3D固体所需的布里渊区的采样更密集。在这里,我们使用一个解析表达式的小$\mathbf{q}$ -限制的二维响应函数执行BZ积分的关键区域周围的$\mathbf{q} = \mathbf{0}$。这大大降低了对$\mathbf{q}$点网格的要求,并意味着显著的计算速度提高。例如,在单层MoS $_2$的情况下,$G_0W_0$带隙收敛到$\sim 0.1\,\mathrm{eV}$内是利用$12\times 12$ $\mathbf{q}$ -点而不是离散BZ采样技术所需的$36\times 36$网格来实现的。我们执行一个关键的评估的三个原型的二维半导体MoS $_2$,hBN和磷烯的带隙,包括在GW $_0$和GW水平的自一致性的效果。该方法在开源GPAW代码中实现。
2016-06-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure and optical properties of halide double perovskites from a Wannier-localized optimally-tuned screened range-separated hybrid functional
本文将WOT-SRSH泛函应用于五种卤化物双钙钛矿,证明其能准确预测基本带隙、光学带隙和吸收谱,为光电性质计算提供了可行方法。
2024-08-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A Koopmans-compliant screened exchange potential with correct asymptotic behavior for semiconductors
密度泛函理论的性能在很大程度上取决于对交换泛函的近似。在这里,我们提出了一种新的屏蔽交换潜力的半导体,与参数的基础上的物理性质的基本微观屏蔽和遵守适当的渐近行为的要求。我们证明,这个功能是Koopmans兼容,并再现了广泛的带隙。我们还表明,唯一的可调参数的功能可以保持不变,在改变阳离子或阴离子的等值线,使该方法适用于处理合金。
2020-12-15 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Electronic and Optical Excitations in van der Waals Materials from a Non-Empirical Wannier-Localized Optimally-Tuned Screened Range-Separated Hybrid Functional
本文提出适用于范德华材料的非经验WOT-SRSH方法,实现单层与块体间参数迁移,并在黑磷、二硫化钼和六方氮化硼上验证了其在能带结构和光学吸收光谱预测中接近实验与MBPT计算的精度。
2024-05-01 cond-mat.mtrl-sci
A Unified Dielectric-Dependent Hybrid Functional for Accurate Band Gaps across Dimensions
Nicolaus Copernicus University in Toruń(托伦哥白尼大学);Paderborn University(帕德博恩大学);Indian Institute of Technology, Hyderabad(海德拉巴印度理工学院);National Institute of Science Education and Research(国家科学教育与研究机构)
提出几何无关的介电响应,自洽构建非经验屏蔽介电依赖杂化泛函,在100种体相、低维和混合维度材料中达到近GW精度,揭示屏蔽-交换-带隙关系。
2026-06-16 cond-mat.mtrl-sci
Band structure calculations of CuAlO2, CuGaO2, CuInO2 and CuCrO2 by screened exchange
报道了透明导电氧化物CuAlO 2、CuGaO 2、CuInO 2和CuCrO 2的密度泛函理论(DFT)能带结构计算.与标准局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)方法相比,使用混合泛函sX-LDA导致电子性质的显著改善。我们表明,由此产生的电子带隙比较以及与实验值和以前的准粒子计算,并显示正确的趋势相对于原子序数的阳离子(铝,镓,在)。由此产生的能量深度的Cu d和O p的水平和价带宽度是相当大的改进相比,LDA和GGA和良好的协议与可用的X射线光电子能谱学(XPS)数据。最后,我们显示了所有四个系统的介电函数的计算虚部。
2011-01-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Accuracy of electron densities obtained via Koopmans-compliant hybrid functionals
我们评估的电子密度和准粒子的混合泛函给出的能隙的准确性直接比较这些从解决多电子薛定谔方程得到的确切数量。我们通过几个物理上合理的约束之一,包括广义Koopmans定理,确定混合Hartree-Fock交换近似交换相关在我们的混合泛函。我们发现,混合泛函产生惊人的准确的电子密度和间隙在交换为主的相关系统。我们还讨论了屏蔽的Fock算子的混合泛函的成功的作用。
2018-03-29 cond-mat.mtrl-sci
RS-CIDER: A non-local machine learning model for approximating screened hybrid functionals
Center for Computational Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院计算科学与工程中心);Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院材料科学与工程系);John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University(哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院);Robert Bosch LLC Research and Technology Center, Watertown(罗伯特博世有限责任公司研究和技术中心);Initiative for Computational Catalysis, Flatiron Institute(平顿研究所计算催化倡议)
RS-CIDER是一种机器学习非局域交换泛函,通过拟合能量和能级近似HSE06的短程Hartree-Fock交换项,在分子和固态性质上高度一致,且计算速度提升一个数量级以上。
2026-09-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Band-edge problem in the theoretical determination of defect energy levels: the O vacancy in ZnO as a benchmark case
缺陷的形成能和电荷跃迁能级的计算通常依赖于用于描述电子结构的密度泛函理论(DFT)。由于半导体和绝缘体的体带隙不能很好地描述在半局域近似DFT,带隙校正方案或先进的理论模型,适当地描述带隙需要采用。然而,很明显,再现实验带隙的不同方法可以产生关于点缺陷的电荷跃迁水平的显著不同的结果。我们研究了这个问题的情况下,(+2/0)的电荷跃迁水平的O空位在ZnO中,这引起了相当大的关注作为一个基准的情况下。为此,我们首先进行计算的基础上非屏蔽的混合密度泛函,然后比较我们的结果与其他方法。虽然我们的结果与筛选混合泛函得到的结果非常一致,但与其他带隙校正方案相比,它们有着惊人的不同。尽管如此,我们表明,所有不同的方法彼此吻合良好,并与我们的计算时,一个合适的对齐程序。所提出的方法包括通过外部电势(例如真空能级)对准电子能带结构。当电子密度被很好地再现时,这个过程相当于在周期性边界条件下通过平均静电势进行的计算。我们强调,为了得到准确的缺陷能级,需要一个理论方案,以产生不仅带隙与实验一致,而且带边正确定位相对于这样的参考电位。
2012-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Transferable screened range-separated hybrid functionals for electronic and optical properties of van der Waals materials
本研究针对固态屏蔽范围分离杂化(SRSH)泛函向低维结构的可迁移性问题,以体相和单层范德华材料的带边准粒子能量为拟合目标确定泛函参数,实现了媲美多体微扰理论的电子与光学性质计算精度,且参数对双层结构也具备可迁移性。
2023-05-22 cond-mat.mtrl-sci
Accurate Ab-initio Predictions of III-V Direct-Indirect Band Gap Crossovers
我们报告了一系列III-V合金的电子能带结构的成分依赖性。具有PBE泛函的密度泛函理论不足以模拟布里渊区的不同对称点处的电子能隙。HSE混合功能与屏蔽交换准确地再现了实验的带隙,更重要的是,合金浓度的直接-间接的间隙交叉的III-V合金研究:AlGaAs,InAlAs,AlInP,InGaP,和GaAsP。
2010-05-18 cond-mat.mtrl-sci
Three-Dimensional to Layered Halide Perovskites: A Parameter-Free Hybrid Functional Method for Predicting Electronic Band Gaps
针对标准杂化泛函预测3D及层状卤化物钙钛矿带隙的不足,本研究评估DSH泛函,提出基于对应3D钙钛矿介电常数的改进策略,提升预测精度,为光电子材料建模提供高效无参数方法。
2025-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Automated Workflow for Non-Empirical Wannier-Localized Optimal Tuning of Range-Separated Hybrid Functionals
University of California Berkeley(加州大学伯克利分校);Lawrence Berkeley National Laboratory(劳伦斯伯克利国家实验室);Université catholique de Louvain (UCLouvain)(天主教鲁汶大学);Matgenix SRL(Matgenix有限责任公司);Weizmann Institute of Science(魏茨曼科学研究所);University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校);Kavli Energy NanoScience Institute at Berkeley(加州大学伯克利分校卡弗里能源纳米科学研究所)
提出一种生成非经验WOT-SRSH泛函的自动化工作流,通过新搜索算法仅需少量计算即可高效确定参数,在23种材料上实现高精度,推动了该泛函在材料光谱与光电性质计算中的广泛应用。
2025-11-03 cond-mat.mtrl-sci
Dielectric dependent hybrid functionals for heterogeneous materials
我们推导出一个介电依赖的混合泛函,它准确地描述了异质界面和表面的电子性质,以及三维和二维散装固体。的功能,它不包含任何可调参数,是一个推广的自洽的混合泛函引入均匀固体,其中屏蔽库仑相互作用定义使用空间变化的,局部介电函数。后者是确定自洽使用密度泛函计算在有限的电场。我们目前的结果的带隙和介电常数的3D和2D的散装材料,和带偏移的接口,显示出的准确性可比的GW计算。
2019-05-20 cond-mat.mtrl-sci
An Optimally-Tuned Starting Point for Single-Shot $GW$ Calculations of Solids
在$GW$近似下的从头算多体微扰理论依赖于计算准粒子修正时使用的本征系统,这限制了该方法的预测能力。在这里,我们调查的准确性,最近开发的Wannier本地化的最佳调谐屏蔽距离分离的混合(WOT-SRSH)功能作为一个广义Kohn-Sham的起点单杆$GW$($G_0W_0$)计算范围内的半导体和绝缘体。与基于成熟泛函(即PBE、PBE 0和HSE)的计算以及与自洽$GW$方案和实验的比较表明,通过$G_0W_0$ @WOT-SRSH计算的带隙具有与更先进的方法(如准粒子自洽$GW$(QS $GW$)和本征值自洽$GW$(ev $GW$))相当的精度和准确度。我们还发现,$G_0W_0$ @WOT-SRSH改善了状态的描述更深的价带流形。最后,我们证明了$G_0W_0$ @WOT-SRSH显着降低了计算的带隙对底层WOT-SRSH调谐过程中模糊性的敏感性。
2022-05-24 cond-mat.mtrl-sci
The HSE hybrid functional within the FLAPW method and its application to GdN
我们提出了一个实施的Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE)混合功能内的全电位线性增强平面波(FLAPW)方法。与HSE泛函相关的是屏蔽的电子-电子相互作用,我们将其分为裸库仑相互作用和剩余的实空间中缓慢变化的函数。这两个术语引起的交换势,其总和为HSE的筛选的非局部交换势。我们评估前者的帮助下,一个辅助的基础上,定义在这样一种方式,裸库仑矩阵变得稀疏。后者在倒易空间中计算,利用其在倒易空间中的快速收敛行为。该方法具有一般性,可应用于一类屏蔽杂交泛函。我们获得了极好的协议的带隙和晶格常数的原型半导体和绝缘体的电子结构计算使用平面波或高斯基组。我们应用HSE混合泛函来研究岩盐GdN的基态性质,这在文献中有争议。我们的研究结果表明,有一个半金属绝缘体转变发生在理论优化的晶格常数在0 K和实验晶格常数在室温下。总的来说,我们达到了良好的协议与实验数据的带跃迁,磁矩,居里温度。
2011-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
The nature of the electronic band gap in lanthanide oxides
技术上重要的镧系元素/稀土倍半氧化物(Ln 2 O3,其中Ln=La,...,Lu)和CeO 2的混合密度泛函HSE 03,HSE 06和屏蔽交换(sX-LDA)计算。我们发现,这些密度泛函方法描述了强相关的Ln f-电子,以及最近的G0W0@LDA+U的结果,一般产生正确的带隙和趋势在整个Ln周期。对于HSE,O 2 p态和镧系元素5d态之间的带隙几乎与镧系元素无关,而最小带隙随着填充或空Ln 4f态进入该带隙而变化。sX-LDA预测未占用的4f能级在较高的能量,这导致更好的协议与Sm 2 O3,Eu 2 O3和Yb 2 O3的实验。
2013-03-11 cond-mat.mtrl-sci
Many-body perturbation theory vs. density functional theory: A systematic benchmark for band gaps of solids
Technische Universität Ilmenau(伊尔梅瑙工业大学)
本研究系统比较了多种$GW$方法与DFT在固体带隙计算中的性能,发现QS$G\hat{W}$在准确性上最优,能有效消除实验测量的不确定性。
2025-08-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Dielectric-Dependent Range-Separated Hybrid Functional Calculations for Metal Oxides
本文评估SE-RSH泛函在金属氧化物中的表现,证明其相较其他依赖介电常数的杂化泛函能更准确预测介电常数、带隙和磁矩。
2025-02-19 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of the Heyd-Scuseria-Ernzerhof density functional parameter space
该研究系统分析HSE密度泛函的双参数空间,平衡精度与计算成本,提出三种有效参数方案,为密度泛函后续优化提供指导。
2012-05-22 cond-mat.mtrl-sci
Assessing model-dielectric-dependent hybrid functionals on the antiferromagnetic transition-metal monoxides MnO, FeO, CoO, and NiO
最近,两种非经验混合泛函,基于库仑衰减方法的介电依赖范围分离混合泛函(DD-RSH-CAM)和双屏蔽混合泛函(DSH)已经由[Chen等人,Phys. Rev. Mater. 2,073803(2018)]和[Cui等人,J. Phys. Chem. Lett. 9,2338(2018)]。这两种混合泛函都是基于一个共同的模型介电函数的方法,但不同的方式如何非经验获得的范围分离参数。通过保留完整的短程Fock交换和等于介电常数倒数的长程Fock交换的一小部分,DD-RSH-CAM和DSH在预测各种半导体和绝缘体的带隙方面表现得非常好。在这里,我们评估这两个混合泛函如何执行具有挑战性的反铁磁过渡金属一氧化物MnO,FeO,CoO和NiO,通过比较它们与其他传统的混合泛函和$GW$方法。我们发现,单发DD 0-RSH-CAM和DSH 0提高了带隙对实验相比,传统的混合泛函。磁矩略有增加,但预测的介电常数降低。与实验光谱相比,DD 0-RSH-CAM和DSH 0预测的价带态密度(DOS)与HSE 03一样令人满意,然而,与HSE 03相比,导带DOS向更高的能量移动约2 eV。自洽的DD-RSH-CAM和DSH恶化的结果与显着高估的带隙。
2019-08-20 cond-mat.mtrl-sci
Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in Two-Dimensional Square Transition Metal Dichalcogenides
二维拓扑绝缘体(TI)的边缘电子的传播方向与它们的自旋起源鲁棒地联系在一起,这一事实为TI在自旋电子学中的应用带来了希望。在这里,使用第一性原理计算,我们预测了一个家庭的强大的二维TI在单层正方形过渡金属二硫属化物(MoS 2,MoSe 2,MoTe 2,WS 2,WSe 2和WTe 2)。获得了范围从24到187毫电子伏的大尺寸本征非平凡体带隙,证明了在室温下观察到的这些新的2D TI中的量子自旋霍尔(QSH)效应。与大多数已知的具有可比带隙的2D TI显著不同,这些相当大的能隙源自与费米能级周围的Mo/W原子的纯d电子相关的强自旋轨道相互作用。对于Dirac点位于体带隙中间的系统,建立了一对拓扑保护的螺旋边态,并利用非平凡拓扑不变量Z2 = 1确定了它们的拓扑非平凡态.更有趣的是,通过控制外加应变,可以在这些二维材料中实现QSH相与金属相或平凡绝缘相之间的拓扑量子相变,并建立了详细的拓扑相图。
2015-04-01 cond-mat.mtrl-sci
Simple and accurate screening parameters for dielectric-dependent hybrids
基于线性响应时间相关的密度泛函理论,从压缩性求和规则出发,构造了一个简单有效的屏蔽参数。当应用到介电依赖的混合(DDH),它变得非常准确的散装固体相比,从拟合模型介电函数或依赖于材料的价电子密度。本文提出的筛选参数的构造方法简单实用。以这种方式开发的筛选参数在物理上是有吸引力的,实际上是有用的,因为它是直接获得使用的平均超过单位晶胞体积的散装固体,绕过高层次的计算取决于随机相位近似的介电函数。此外,我们已经得到了一个非常好的准确性的能带隙,位置的占用d-带,电离势,光学性质的半导体和绝缘体,和几何形状的散装固体(平衡晶格常数和体积模量)从构建的DDH。
2023-03-09 cond-mat.mtrl-sci
Renormalization of quasiparticle band gap in doped two-dimensional materials from many-body calculations
掺杂自由载流子可以使二维材料的电子自能和准粒子带隙重正化。然而,定量计算这种多电子效应仍然是具有挑战性的,特别是在与实际实验和器件最相关的低掺杂浓度下。在这里,我们开发了一个基于第一性原理的有效质量模型内的GW近似,并显示了一个戏剧性的带隙重整化的几百兆电子伏的典型的二维半导体。此外,我们揭示了不同的多电子相互作用的作用:库仑空穴的贡献是占主导地位的低掺杂密度,而屏蔽交换的贡献是占主导地位的高掺杂密度。通过这种方法研究了三种典型的2D材料,h-BN,MoS 2和黑磷,覆盖绝缘体到半导体。特别是,各向异性黑磷表现出令人惊讶的大带隙重整化,因为它的状态密度较小,增强了屏蔽交换相互作用。我们的工作展示了一种有效的方法来准确地计算带隙重整化,并提供了定量的理解掺杂依赖的多电子物理的一般二维半导体。
2017-12-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Pressure induced gap modulation and topological transitions in twisted bilayer and double bilayer graphene
我们研究了完全弛豫扭曲双层(TBG)和双双层(TDBG)石墨烯在垂直压力下的电子和拓扑性质。提出了一种在压力作用下获得莫尔超晶格平衡面内结构变形和面外结构变形的方法。我们发现,在较高的压力下,面内弛豫变得更强,而在每一层的厚度高度保持不变。弛豫和刚性结构的能带结构之间的比较表明,不仅电子和空穴侧的间隙($Δ_e$和$Δ_h$)显着低估没有弛豫,而且刚性结构的中间带的详细色散是相当不同的松弛系统。TBG中的$Δ_e$和$Δ_h$在临界压力附近达到最大值,中间带较窄。TDBG在压力下发生拓扑转变,中间价带和导带在一个谷接触,它们的陈数相互转移。压力还可以调节TDBG的中性点处的间隙,该间隙在压力范围内关闭,并在更高的压力下重新打开。超晶格在压力作用下的电子结构行为对扭转角$θ$敏感,临界压力一般随扭转角$θ$的增大而增大。
2020-07-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
GW space-time method: Energy band-gap of solid hydrogen
King's College London(伦敦国王学院);Imperial College London(帝国理工学院);University of Zurich(苏黎世大学);University of Warwick(华威大学)
本文提出有限温度GW时空方法,用切比雪夫多项式在实空间和虚时间表示G和W,通过硅和锗验证后计算六方固态氢带隙,结果表明270 GPa以上固态氢不能采用hcp结构,并为图解蒙特卡洛扩展奠定基础。
2021-12-06 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Optical absorption spectra of metal oxides from time-dependent density functional theory and many-body perturbation theory based on optimally-tuned hybrid functionals
本研究结合TDDFT与$GW$-BSE方法,基于最优调谐泛函,从第一性原理计算了八种金属氧化物的光学带隙与吸收谱,结果与实验高度吻合且平均绝对误差小于0.4 eV。
2023-09-05 cond-mat.mtrl-sci
Hybrid functionals for solids with an optimized Hartree-Fock mixing parameter
(屏蔽)混合泛函越来越多地用于固态计算。通常,Hartree-Fock交换的分数α在计算期间保持固定,然而,没有系统地导致令人满意的精度的单一(通用)α值。相反,人们可以使用所考虑的系统的属性来确定α,并且以这种方式,泛函将更灵活并且可能更准确。最近,有人提出使用静态介电常数α来计算α [Shimazaki和Asai,Chem.Phys.Lett. 466,91(2008)和Marques等人,B83,035119(2011)]。我们进一步探索这一想法,并提出了一个方案,其中的α和α之间的连接是基于实验带隙优化。在自洽过程的每次迭代中重新计算α,从而重新计算α。我们目前的各种半导体和绝缘体的带隙和晶格常数的结果与此过程。此外,我们表明,这种方法也可以与非自洽混合近似相结合,以大大加快计算速度,同时在大多数情况下保持良好的精度。
2013-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Efficient Computation of the Long-Range Exact Exchange using an Extended Screening Function
本文提出基于HSE屏蔽函数的一阶泰勒展开来近似长程库仑势,在保持HSE06级别计算速度的同时纳入长程精确交换,并在半导体和有机晶体上验证了其精度与PBE0接近且成本显著降低。
2025-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Electronic properties of binary compounds with high fidelity and high throughput
我们目前的例子应用程序的方法,以高吞吐量的第一性原理计算的电子性质的材料内实施的Exabyte.io平台。我们部署计算技术的基础上的密度泛函理论与广义梯度近似(GGA)和混合屏蔽交换(HSE),以提取电子带隙和能带结构的一组775二元化合物。我们发现,对于HSE,平均相对误差在22%以内,而对于GGA,它是49%。我们发现,在公共云提供商集中提供的最新服务器上,GGA和HSE的平均计算时间分别为1.2小时和36小时。结果和相关数据,包括材料和模拟工作流程,都是标准化的,并以可访问、可重复和可扩展的方式在线提供。
2018-08-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cs.CE
Advancing excited-state properties of two-dimensional materials using a dielectric-dependent hybrid functional
本文提出考虑面内与面外介电响应的 SE-DD-RSH 泛函,以较低成本实现接近 G0W0 和 BSE@G0W0 的二维材料带隙与吸收光谱预测精度。
2025-07-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Monolayer fullerene networks as photocatalysts for overall water splitting
光催化分解水可以以环境友好的方式生产氢气,并为减少全球碳排放提供替代能源。最近,单层富勒烯网络已被成功合成[Hou $\textit{et al., Nature}$ $\textbf{2022}$,606,507],由于其具有丰富活性位点的大表面积、与其他2D材料组合以形成异质结的可行性以及用于潜在氢存储的C $_{60}$笼,提供了新材料候选物。然而,高效的光催化剂需要合适的带隙和带边的适当位置与足够的水裂解驱动力的组合。在本研究中,我采用半局域密度泛函理论和混合泛函计算来研究单层富勒烯网络的电子结构。我发现,只有弱屏蔽的混合功能,结合含时Hartree-Fock计算,包括激子结合能,可以重现实验获得的单层C $_{60}$的光学带隙。单层富勒烯网络的所有相都具有合适的带隙,具有高载流子迁移率和适当的带边,以化学地驱动整体水裂解。此外,单层C $_{60}$的光学性质进行了研究,不同阶段的富勒烯网络表现出不同的吸收和复合行为,提供了独特的优势,无论是作为电子受体或电子供体在电子束。
2022-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph