Accurate DFT simulation of complex functional materials: Synergistic enhancements achieved by SCAN meta-GGA

原子轨道 密度泛函理论 多铁性 带隙 材料科学 各向异性 凝聚态物理 统计物理学 计算机科学 计算化学 电子 物理 化学 量子力学 铁电性 光电子学 电介质
作者
Da Ke,Jianwei Sun,Yubo Zhang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:162 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0240018
摘要

Complex functional materials are characterized by intricate and competing bond orders, making them an excellent platform for evaluating the newly developed strongly constrained and appropriately normed (SCAN) density functional. In this study, we explore the effectiveness of SCAN in simulating the electronic properties of displacive ferroelectrics (BaTiO3 and PbTiO3) and magnetoelectric multiferroics (BiFeO3 and YMnO3), which encompass a broad spectrum of bonding characteristics. Due to a significant reduction in self-interaction error, SCAN manifests its improvements over the Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) method in three aspects: SCAN predicts more accurate ionicity, produces more compact orbitals, and better captures d-orbital anisotropy. Particularly, these synergistic enhancements lead to notable phenomena in calculating the bandgap of YMnO3: while the PBE+U simulation may suggest a strong correlation appearance attributed to high Hubbard-like U values (∼5 eV), the value is dramatically lower (∼1 eV) in the SCAN+U method. Furthermore, we provide an intuitive analysis of SCAN’s operational principles by examining the complex electron densities involved. These insights are theoretically intriguing and have practical implications, potentially encouraging wider adoption of SCAN in the computational modeling of complex functional materials.
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