Predicting band gaps and band-edge positions of oxide perovskites using density functional theory and machine learning

密度泛函理论 带隙 混合功能 局部密度近似 电子能带结构 半金属 准粒子 电子结构 准费米能级 凝聚态物理 物理 材料科学 统计物理学 量子力学 超导电性
作者
Wei Li,Zigeng Wang,Xia Xiao,Zhiqiang Zhang,Anderson Janotti,Sanguthevar Rajasekaran,Bharat Medasani
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (15) 被引量:40
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.155156
摘要

Density functional theory (DFT) within the local or semilocal density approximations, i.e., the local density approximation (LDA) or generalized gradient approximation (GGA), has become a workhorse in the electronic structure theory of solids, being extremely fast and reliable for energetics and structural properties, yet remaining highly inaccurate for predicting band gaps of semiconductors and insulators. The accurate prediction of band gaps using first-principles methods is time consuming, requiring hybrid functionals, quasiparticle GW, or quantum Monte Carlo methods. Efficiently correcting DFT-LDA/GGA band gaps and unveiling the main chemical and structural factors involved in this correction is desirable for discovering novel materials in high-throughput calculations. In this direction, we use DFT and machine learning techniques to correct band gaps and band-edge positions of a representative subset of $AB{\mathrm{O}}_{3}$ perovskite oxides. Relying on the results of HSE06 hybrid functional calculations as target values of band gaps, we find a systematic band-gap correction of $\ensuremath{\sim}1.5$ eV for this class of materials, where $\ensuremath{\sim}1$ eV comes from downward shifting the valence band and $\ensuremath{\sim}0.5$ eV from uplifting the conduction band. The main chemical and structural factors determining the band-gap correction are determined through a feature selection procedure.
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