Onsite and intersite electronic correlations in the Hubbard model for halide perovskites

密度泛函理论 赫巴德模型 卤化物 带隙 电子结构 凝聚态物理 混合功能 强相关材料 电子相关 局部密度近似 电子 化学 材料科学 物理 量子力学 无机化学 超导电性
作者
Jiyuan Yang,Tianyuan Zhu,Shi Liu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (19) 被引量:12
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.195159
摘要

Halide perovskites (HPs) are widely viewed as promising photovoltaic and light-emitting materials for their suitable band gaps in the visible spectrum. Density functional theory (DFT) calculations employing (semi)local exchange-correlation functionals usually underestimate the band gaps for these systems. Accurate descriptions of the electronic structures of HPs often demand higher-order levels of theory such as the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) hybrid density functional and $GW$ approximations that are much more computationally expensive than standard DFT. Here, we investigate three representative types of HPs, $AB{X}_{3}$ halide perovskites, vacancy-ordered double perovskites, and bond disproportionated halide perovskites (BDHPs), using $\mathrm{DFT}+U+V$ with onsite $U$ and intersite $V$ Hubbard parameters computed self-consistently without a priori assumption. The inclusion of Hubbard corrections improves the band gap prediction accuracy for all three types of HPs to a similar level of advanced methods. Moreover, the self-consistent Hubbard $U$ is a meaningful indicator of the true local charge state of multivalence metal atoms in HPs. The inclusion of the intersite Hubbard $V$ is crucial to properly capture the hybridization between valence electrons on neighboring atoms in BDHPs that have breathing-mode distortions of halide octahedra. In particular, the simultaneous convergence of both Hubbard parameters and crystal geometry enables a band gap prediction accuracy superior to HSE for BDHPs but at a fraction of the cost. Our work highlights the importance of using self-consistent Hubbard parameters when dealing with HPs that often possess intricate competitions between onsite localization and intersite hybridization.
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