We develop a formalism and a computational method to study polarons in insulators and semi-conductors from first principles. Unlike in standard calculations requiring large supercells, we solve a secular equation involving phonons and electron-phonon matrix elements from density-functional perturbation theory, in a spirit similar to the Bethe-Salpeter equation for excitons. We show that our approach describes seamlessly large and small polarons, and we illustrate its capability by calculating wavefunctions, formation energies, and spectral decomposition of polarons in LiF and Li2O2.
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；US Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Center for Physical Sciences and Technology (FTMC)（物理科学和技术中心）
Partitioning interatomic force constants for first-principles phonon calculations: Applications to NaCl, PbTiO$_3$, monolayer CrI$_3$, and twisted bilayer graphene
Effect of Defects on the Small Polaron Formation and Transport Properties of Hematite from First-Principles Calculations
赤铁矿（$α$ $_2$ O $_3$）由于其对可见光吸收有利的带隙、其在水性环境中的稳定性以及与其他有前景的材料相比其相对低的成本而成为用于太阳能到燃料转换的光阳极材料的有希望的候选者。然而，$α$ $_2$ O $_3$中的小极化子输运性质导致低载流子迁移率和电导率，显著降低了其理论极限的效率.在实验上，已经发现，将氧空位和其他掺杂剂（例如Sn）并入材料中明显地提高了其光电流效率。然而，没有定量的解释已经提供了理解的作用，氧空位或锡掺杂的赤铁矿。采用密度泛函理论研究了贫氧、掺氮和掺锡的赤铁矿中小极化子的形成。我们计算了带电缺陷形成能、小极化子形成能和跳跃激活能，以了解缺陷对载流子浓度和迁移率的影响。这项工作为我们提供了关于缺陷对赤铁矿中小极化子形成和输运性质的作用的基本理解，为新掺杂剂的设计提供了关键见解，以进一步提高过渡金属氧化物的太阳能-燃料转换效率。
Ab initio self-consistent many-body theory of polarons at all couplings
我们提出了一个理论框架来描述极化子的第一性原理内的多体格林函数形式主义。从一般的电子-声子哈密顿量出发，导出了自洽的Dyson方程，其中声子介导的自能由两个不同的项组成。一项是Fan-Migdal自能，描述了动态的电子-声子过程，另一项是极化基态原子核的静态位移对自能的新贡献。本理论的最低阶近似产生了大极化子极限下电子-声子相互作用的标准多体微扰理论方法，以及[Sio et al.，Phys. Rev. B 99，235139（2019）; Phys. Rev. Lett. 122，246403（2019）]在小极化子的极限。一个实用的配方，以实现目前的统一形式主义的第一性原理计算的概述。我们将我们的方法应用于Fröhlich模型，并获得非常准确的极化子能量在所有的耦合，符合费曼的极化子理论和图解Monte Carlo计算。我们还恢复了著名的结果Fröhlich和Pekar在弱耦合和强耦合，分别。本方法能够预测多体计算极化子在真实材料中的所有耦合。
Fully analytic valence force fields for the relaxation of group-IV semiconductor alloys: elastic properties of group-IV materials calculated from first principles
Si $_{y}$ Ge $_{1-x-y}$（C，Sn，Pb）$_{x}$合金作为实现直接带隙IV族半导体的途径已经引起了显著的关注。使用密度泛函理论（DFT）-采用局域密度近似和混合Heyd-Scuzeria-Ernzerhof交换相关泛函-我们计算的晶格参数，放松和内部弹性常数，和内部应变（Kleinman）参数元素（金刚石）第IV族材料和锌的III-IV化合物。我们的DFT计算支持一个鲜为人知的实验重新评估的$α$ -锡弹性常数，并反驳了最近的预测，在选定的IV-IV化合物的动态不稳定性。DFT计算的结构和弹性特性与最近导出的谐波价力场（VFF）的分析参数化结合使用[Phys. Rev. B 100，094112（2019）]，以获得Si $_{y}$ Ge $_{1-x-y}$（C，Sn，Pb）$_{x}$和Si $_{x}$ Ge $_{1-x}$合金的一组完整的VFF势。解析参数化精确地再现了松弛的弹性常数和Kleinman参数，而不依赖于数值拟合，允许精确和计算成本低廉的晶格弛豫。VFF电势的准确性通过与（i）包含替代C、Ge（Si）、Sn或Pb杂质的有序Si（Ge）合金超晶胞的DFT超晶胞弛豫的结果进行比较来证明，其中还与模型分析VFF进行比较，以及（ii）无序Si $_{x}$ Ge $_{1-x}$合金超晶胞。我们提出的VFF势能够实现代表块状IV族合金或IV…
First principles determination of the Peierls stress of the shuffle screw dislocation in silicon
用<110>密度泛函理论计算了硅中a/2螺位错的Peierls应力。我们已经检查了边界条件的影响，通过使用两种模型，超晶胞方法，其中一个认为是一个周期性阵列的位错，和集群方法，其中一个单一的位错嵌入在一个小集群。超级单体的Peierls应力被低估，而团簇的Peierls应力被高估。计算了这些贡献，并确定了Peierls应力在2.4 x 10-2和2.8 x 10-2 eV之间。当移动时，位错遵循{111}平面通过低能亚稳构型，并且从不遵循100平面，其包括更高能量的亚稳芯构型。
Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel（基尔大学理论与天体物理研究所）；Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校奥登计算工程与科学研究所）；Department of Physics, University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学物理系）；Department of Physics, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）
First-principles calculation of electron-phonon spectral functions for defects using phonon interpolation
HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利科学院维格纳物理研究中心）；Department of Atomic Physics, Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯技术与经济大学原子物理系）
First-principles study of the relaxor ferroelectricity of Ba(Zr,Ti)O$_3$
Ba（Zr，Ti）O $_3$是一种无铅弛豫铁电体。用第一性原理方法研究了纯BaTiO $_3$和Ba（Zr，Ti）O $_3$超电池的铁电偶极矩。BaZr $_{0.5}$ Ti $_{0.5}$ O $_3$和BaZr $_{0.25}$ Ti $_{0.75}$ O $_3$的所有可能的离子构型都构造在$2\times2\times2$超晶胞中。对于半取代的情况，这些结构的铁电性能的分歧，已被发现，严重依赖于Ti和Zr离子的排列。因此，我们的结果为Ba（Zr，Ti）O $_3$的弛豫行为提供了合理的解释.此外，基于热统计的模型给出了Ba（Zr，Ti）O $_3$的平均极化，这取决于合成温度。我们的研究结果有助于理解和调控无铅Ba（Zr，Ti）O $_3$的弛豫铁电性。
How unconventional oxidation state Au$^{2+}$ is stabilized in halide perovskite Cs$_4$Au$_3$Cl$_{12}$: a first-principles study of its polaron crystal nature
Electronic and magnetic properties of V-doped anatase TiO$_{2}$ from first principles
采用第一性原理研究了钒掺杂的二氧化钛$_{2}$的几何、电子和磁性。DFT+U（Hubbard系数）方法预测了Ti $_{1-x}$ V $_{x}$ O $_{2}$（x=6.25和12.5%）的半导体能带结构，与样品的低电导率很好地吻合，而广义梯度近似内的标准计算失败。理论结果表明，钒原子倾向于保持接近，并通过超交换相互作用产生强铁磁性。氧空位诱导的磁极化子能使大范围分离的磁性杂质之间产生长程铁磁相互作用。实验观察到的室温下V掺杂的TiO_2 $_{2}$的铁磁性可能源于短程超交换耦合和长程束缚磁极化子逾渗的结合。
Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校奥登计算工程与科学研究所）；Department of Physics, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）；Department of Physics, University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学物理系）
