Electronic properties of lanthanide oxides from theGWperspective

镧系元素 密度泛函理论 电子结构 强相关材料 局部密度近似 亚稳态 带隙 物理 微扰理论(量子力学) 电子能带结构 电子 材料科学 凝聚态物理 量子力学 离子
作者
Hong Jiang,Patrick Rinke,Matthias Scheffler
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:86 (12) 被引量:99
标识
DOI:10.1103/physrevb.86.125115
摘要

A first-principles understanding of the electronic properties of $f$-electron systems is currently regarded as a great challenge in condensed-matter physics because of the difficulty in treating both localized and itinerant states on the same footing by the current theoretical approaches, most notably density-functional theory (DFT) in the local-density or generalized gradient approximation (LDA/GGA). Lanthanide sesquioxides (Ln${}_{2}$O${}_{3}$) are typical $f$-electron systems for which the highly localized $f$ states play an important role in determining their chemical and physical properties. In this paper, we present a systematic investigation of the performance of many-body perturbation theory in the $GW$ approach for the electronic structure of the whole Ln${}_{2}$O${}_{3}$ series. To overcome the major failure of LDA/GGA, the traditional starting point for $GW$, for $f$-electron systems, we base our $GW$ calculations on Hubbard $U$ corrected LDA calculations (LDA+$U$). The influence of the crystal structure, the magnetic ordering, and the existence of metastable states on the electronic band structures are studied at both the LDA+$U$ and the $GW$ level. The evolution of the band structure with increasing number of $f$ electrons is shown to be the origin for the characteristic structure of the band gap across the lanthanide sesquioxide series. A comparison is then made to dynamical mean-field theory (DMFT) combined with LDA or hybrid functionals to elucidate the pros and cons of these different approaches.
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