Hybrid density functional theory band structure engineering in hematite

赤铁矿 密度泛函理论 掺杂剂 凝聚态物理 反铁磁性 带隙 混合功能 兴奋剂 材料科学 化学 计算化学 物理 冶金
作者
Zachary D. Pozun,Graeme Henkelman
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:134 (22): 224706-224706 被引量:171
标识
DOI:10.1063/1.3598947
摘要

We present a hybrid density functional theory (DFT) study of doping effects in α-Fe(2)O(3), hematite. Standard DFT underestimates the band gap by roughly 75% and incorrectly identifies hematite as a Mott-Hubbard insulator. Hybrid DFT accurately predicts the proper structural, magnetic, and electronic properties of hematite and, unlike the DFT+U method, does not contain d-electron specific empirical parameters. We find that using a screened functional that smoothly transitions from 12% exact exchange at short ranges to standard DFT at long range accurately reproduces the experimental band gap and other material properties. We then show that the antiferromagnetic symmetry in the pure α-Fe(2)O(3) crystal is broken by all dopants and that the ligand field theory correctly predicts local magnetic moments on the dopants. We characterize the resulting band gaps for hematite doped by transition metals and the p-block post-transition metals. The specific case of Pd doping is investigated in order to correlate calculated doping energies and optical properties with experimentally observed photocatalytic behavior.

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