Orbital-dependent exchange-correlation functionals in density-functional theory realized by the FLAPW method

Betzinger, Markus; Blügel, Stefan

doi:4000

Orbital-dependent exchange-correlation functionals in density-functional theory realized by the FLAPW method = Orbitalabhängige Austauschkorrelationsfunktionale der Dichtefunktionaltheorie innerhalb der FLAPW Methode

Betzinger, Markus (Author)

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Betzinger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVI, 173 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blügel, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40003
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62853/files/4000.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dichtefunktionalformalismus (Genormte SW) ; Ab-initio-Rechnung (Genormte SW) ; Elektronenstruktur (Genormte SW) ; LAPW-Methode (Genormte SW) ; Korrelationsenergie (Genormte SW) ; Störungstheorie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Austauschkorrelationsenergie (frei) ; Hybridfunktionale (frei) ; exakter Austausch (frei) ; OEP Methode (frei) ; Basissatzkorrektur (frei) ; exchange-correlation energy (frei) ; hybrid functionals (frei) ; exact exchange (frei) ; OEP method (frei) ; incomplete-basis-set correction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 31.15.E- * 71.20.-b * 71.15.Mb * 71.15.-m

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die full-potential linearized augmented-plane-wave (FLAPW) Methode, eine der präzisesten, vielseitigsten und allgemein anwendbarsten elektronischen Strukturmethoden der Dichtefunktionaltheorie (DFT) für Festkörper, um orbitalabhängige Funktionale für die Austausch-Korrelations (xc) Energie erweitert. Im Gegensatz zu den geläufigen Funktionalen, wie der lokalen Dichtenährung (LDA) und der verallgemeinerten Gradientennährung (GGA), hängen orbitalabhängige Funktionale direkt von den Kohn-Sham (KS) Orbitalen ab und sind damit nur indirekte Funktionale der Dichte. Für die numerische Umsetzung orbitalabhängiger Funktionale haben sich zwei unterschiedliche Ansätze etabliert, der KS und der verallgemeinerte KS (gKS) Formalismus. Sie unterscheiden sich in der Behandlung des xc Potentials. Während der KS Formalismus ein lokales, multiplikatives xc Potential erfordert, lässt das gKS Schema auch ein nicht-lokales Potential zu. Im Rahmen dieser Arbeit werden beiden Ansätze diskutiert und untersucht. Hybridfunktionale, die typischerweise im gKS Schema behandelt werden, kombinieren orbitalabhängigen exakten Austausch mit dichteabhängigen LDA oder GGA Funktionalen. Im Speziellen konzentrieren wir uns in dieser Arbeit auf das Hybridfunktional von Perdew, Burke und Ernzerhof (PBE0). Die entwickelte Implementierung des PBE0 Funktionales beruht auf einer Darstellung des nicht-lokalen Austauschpotentials durch eine Hilfsbasis, die gemischte Produktbasis (MPB). Mittels dieser werden die Matrixelemente des nicht-lokalen Austauschpotentials zum Hamiltonian eine Brillouin-Zone (BZ) Summe über Vektor-Matrix-Vektor Produkte. Zur beschleunigten Berechnung dieser Matrixelemente werden weitere Techniken entwickelt und erforscht. Im Vergleich zu LDA und GGA führt das PBE0 Funktional zu einer verbesserten Beschreibung der experimentellen Bandlücke und zu einer verbesserten Beschreibung von lokalisierten Zuständen, wie d- und f-Elektron Zuständen. Zum Beispiel beschreibt das PBE0 Funktional die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Halbleiters EuO mit seinen lokalisierten 4f Zuständen im Einklang mit dem Experiment. Die Konstruktion eines lokalen, multiplikativen Austauschpotentials im Rahmen des KS Formalismus ausgehend von der nicht-lokalen, orbitalabhängigen, exakten Austauschenergie (EXX) erfordert hingegen die optimierte-effektive-Potential (OEP) Methode. Sie führt zu einer Integralgleichung für das lokale Austauschpotential, deren zentrale Bestandteile die KS Wellenfunktionsresponse und die KS Dichteresponse sind. Eine Darstellung des lokalen Potentials durch eine leicht modifizierte MPB gestattet die Lösung der Integralgleichung. Wir zeigen, dass ein glattes und physikalisches Austauschpotential eine Balance zwischen LAPW und gemischter Produkt Basis erfordert, d.h. die LAPW Basis muss zu einer Genauigkeit konvergiert werden, die weit jenseits derer für LDA oder GGA Rechnungen liegt. Diese Genauigkeit der LAPW Basis ist notwendig, damit die KS Wellenfunktion und damit die Dichte adäquat auf die Potentialänderungen, welche in unserem Formalismus durch die MPB beschrieben werden, antworten können. Sofern beide Basen balanciert sind, finden wir eine gute Übereinstimmung zwischen unseren All-Elektronen FLAPW Resultaten für C, Si, SiC, Ge, GaAs, festes Ne und Ar und Pseudopotentialergebnissen der Literatur. Aufgrund der nötigen Balance beider Basen ist der EXX-OEP Ansatz numerisch sehr aufwendig. Wir haben eine finite Basissatzkorrektur (FBC) entwickelt, welche die Abhängigkeit der LAPW Basis vom Potential explizit berücksichtigt und im Grenzfall einer vollständigen LAPW Basis verschwindet. Anhand von ScN demonstrieren wir, dass die FBC zu konvergierten Austauchpotentialen bei kleinerer LAPW Basis führt, was eine EXX-OEP Rechnung auf der Basis der FLAPW-Methode erst praktisch ermöglicht. Desweiteren diskutieren wir eine Verallgemeinerung des Formalismus für Metalle und berichten Ergebnisse für die kubischen Perovskite CaTiO3, SrTiO3 und BaTiO3, die Übergangsmetalloxide MnO, FeO und CoO, wie auch für die Metalle Al, Na und Cu.

In this thesis, we extended the applicability of the full-potential linearized augmented-plane-wave (FLAPW) method, one of the most precise, versatile and generally applicable electronic structure methods for solids working within the framework of density-functional theory (DFT), to orbital-dependent functionals for the exchange-correlation (xc) energy. In contrast to the commonly applied local-density approximation (LDA) and generalized gradient approximation (GGA) for the xc energy, orbital-dependent functionals depend directly on the Kohn-Sham (KS) orbitals and only indirectly on the density. Two different schemes that deal with orbital-dependent functionals, the KS and the generalized Kohn-Sham (gKS) formalism, have been realized. While the KS scheme requires a local multiplicative xc potential, the gKS scheme allows for a non-local potential in the one-particle Schrödinger equations. Hybrid functionals, combining some amount of the orbital-dependent exact exchange energy with local or semi-local functionals of the density, are implemented within the gKS scheme. We work in particular with the PBE0 hybrid of Perdew, Burke, and Ernzerhof. Our implementation relies on a representation of the non-local exact exchange potential – its calculation constitutes the most time consuming step in a practical calculation – by an auxiliary mixed product basis (MPB). In this way, the matrix elements of the Hamiltonian corresponding to the non-local potential become a Brillouin-zone (BZ) sum over vector-matrix-vector products. Several techniques are developed and explored to further accelerate our numerical scheme. We show PBE0 results for a variety of semiconductors and insulators. In comparison with experiment, the PBE0 functional leads to improved band gaps and an improved description of localized states. Even for the ferromagnetic semiconductor EuO with localized 4f electrons, the electronic and magnetic properties are correctly described by the PBE0 functional. Subsequently, we discuss the construction of the local, multiplicative exact exchange (EXX) potential from the non-local, orbital-dependent exact exchange energy. For this purpose we employ the optimized effective potential (OEP) method. Central ingredients of the OEP equation are the KS wave-function response and the single-particle density response function. A formulation in terms of a slightly modified MPB enables to solve the OEP integral equation for the local potential without any shape approximations for the potential. We show that a balance between the LAPW and mixed product basis is mandatory for a smooth and physical local EXX potential. The LAPW basis must be converged to an accuracy which is far beyond that for LDA or GGA calculations. We demonstrate that this is necessary to lend the LAPW basis and thus the KS wave functions and density sufficient flexibility to react adequately to the changes of the effective potential, which are described in our formalism by the MPB. If both basis sets are properly balanced, our results for C, Si, SiC, Ge, GaAs as well as solid Ne and Ar are in favorable agreement with plane-wave pseudopotential results. Because of the exceedingly large LAPW basis sets the EXX-OEP approach is computationally expensive. We propose a correction, the finite basis-set correction (FBC), for the density and wave-function response, which explicitly considers the dependence of the LAPW basis on the effective potential and which vanishes in the limit of an infinite, complete basis. For the example of ScN, we demonstrate that the FBC leads to converged potentials at much smaller LAPW basis sets and thus turns the EXX-OEP approach into a practical method. Finally, we discuss a generalization of the formalism to metals and report results for the cubic perovskites CaTiO3, SrTiO3, and BaTiO3, the transition-metal oxides MnO, FeO, and CoO as well as the metals Al, Na, and Cu.

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