Integrating Density Functional Theory with Machine Learning for Enhanced Band Gap Prediction in Metal Oxides

密度泛函理论 金属 带隙 材料科学 纳米技术 计算化学 化学 光电子学 冶金
作者
Chidozie Ezeakunne,Bipin Lamichhane,Shyam Kattel
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d4cp03397c
摘要

In this study, we used a combination of density functional theory with Hubbard U correction (DFT+U) and machine learning (ML) to accurately predict the band gaps and lattice parameters of metal oxides: TiO2 (rutile and anatase), cubic ZnO, cubic ZnO2, cubic CeO2, and cubic ZrO2. Our results show that including Up values for oxygen 2p orbitals alongside Ud/f for metal 3d or 4f orbitals significantly enhances the accuracy of these predictions. Through extensive DFT+U calculations, we identify optimal (Up, Ud/f) integer pairs that closely reproduce experimentally measured band gaps and lattice parameters for each oxide: (8 eV, 8 eV) for rutile TiO2; (3 eV, 6 eV) for anatase TiO2; (6 eV, 12 eV) for c-ZnO; (10 eV, 10 eV) for c-ZnO2; (9 eV, 5 eV) for c-ZrO2; and (7 eV, 12 eV) for c-CeO2. Our ML analysis showed that simple supervised ML models can closely reproduce these DFT+U results at a fraction of the computational cost and generalize well to related polymorphs. Our approach builds on existing high-throughput DFT+U frameworks by providing fast pre-DFT estimates of structural properties and band gaps. Since this work does not aim to improve the underlying DFT+U method, the ML model shares its limitations. We also note that the reported values of Up strongly depend on the choice of correlated orbitals, and caution is recommended with a different choice of correlated orbitals.
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