Comparative first-principles studies of prototypical ferroelectric materials by LDA, GGA, and SCAN meta-GGA

铁电性 材料科学 凝聚态物理 荟萃分析 物理 电介质 光电子学 医学 内科学
作者
Yubo Zhang,Jianwei Sun,John P. Perdew,Xifan Wu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:96 (3) 被引量:237
标识
DOI:10.1103/physrevb.96.035143
摘要

© 2017 American Physical Society. Originating from a broken spatial inversion symmetry, ferroelectricity is a functionality of materials with an electric dipole that can be switched by external electric fields. Spontaneous polarization is a crucial ferroelectric property, and its amplitude is determined by the strength of polar structural distortions. Density functional theory (DFT) is one of the most widely used theoretical methods to study ferroelectric properties, yet it is limited by the levels of approximations in electron exchange-correlation. On the one hand, the local density approximation (LDA) is considered to be more accurate for the conventional perovskite ferroelectrics such as BaTiO3 and PbTiO3 than the generalized gradient approximation (GGA), which suffers from the so-called super-tetragonality error. On the other hand, GGA is more suitable for hydrogen-bonded ferroelectrics than LDA, which largely overestimates the strength of hydrogen bonding in general. We show here that the recently developed general-purpose strongly constrained and appropriately normed (SCAN) meta-GGA functional significantly improves over the traditional LDA/GGA for structural, electric, and energetic properties of diversely bonded ferroelectric materials with a comparable computational effort and thus enhances largely the predictive power of DFT in studies of ferroelectric materials. We also address the observed system-dependent performances of LDA and GGA for ferroelectrics from a chemical bonding point of view.
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