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在平均场近似或者说是一般得LDA计算中,能带得自旋分裂是由一个称为Stoner 参数I来主导得,而且平均场近似中认为这个交换分裂能是小于带宽得,一般而言I得数值在LSDA中大概在1eV左右,这样即使对于某些氧化物如 NiO,FeO,MnO等即使能带发生交换分裂,整个体系依然是金属性得,试验观察到得这些氧化物实际上是绝缘体,主要原因在于在这些氧化物中d轨道得能级位置不是由I来决定得,而是Hubbard参数U决定,U也称为On-site Coulomb作用能,相当于把两个电子放在空间同一个位置需要得能量,U数值一般在10eV左右,如此大得分裂能足以将Fermi面附近连续分布得d能级分开,从而得到正确得基态性质,目前广泛采用得LDA+U的算法就是针对某些定域轨道,如d或者f,这些轨道占据存在强烈的在位Coulomb排斥。正是U使得带隙分裂,而不是轨道极化参量I。
U计算目前仍然是一个研究热点,最近由人采用线性响应理论,同时结合轨道束缚的DFT计算自洽的求解了部分体系的U参数,在大部分情况下U数值要根据计算结果和试验参数的符合程度而定。
LDA+U计算核心思路是:首先将研究体系的轨道分隔成两个子体系(subsystem),其中一部分是一般的DFT算法(如LSDA,GGA)等可以比较准确描述的体系,另外是定域在原子周围的轨道如d或者f轨道,这些轨道在标准的DFT计算下不能获得正确的能量与占据数之间的关系(如DFT总是认为分数占据是能量最小的,而不是整数占据);对于d或者f轨道,能带模型采用Hubbard模型,而其他轨道仍然是按照Kohn-SHam方程求解;d以及f 轨道电子之间的关联能采用一个和轨道占据以及自旋相关的有效U表示;整体计算的时候需要将原来DFT计算过程中已经包含的部分关联能扣除,这部分一般叫 Double Counting part,并且用一个新的U来表示,最终的结果是在DFT计算的基础上新增加一个和d或者f轨道直接相关的分裂势的微扰项,这部分能量可以采用一般微扰理论计算。
在CASTEP最新的版本中增加的LDA+U的计算,U参数的设置一般主要是针对过渡金属氧化物(Charge transfer type insulator),包含非满层f轨道的元素等,高温超导体强关联体系。在参数设置方面主要是需要注意d和f轨道,至于s以及p轨道一般不需要设置,当然由文献也报道p轨道的这种关联性。过渡金属氧化物的有效U如下:
Species U J U-J(Ueff)
NiO 8.0 0.95 7.1
CoO 7.8 0.92 6.9
FeO 6.8 0.89 5.9
MnO 6.9 0.86 10.3
VO 6.7 0.81 5.9
TiO 6.6 0.78 5.8
Reference: Band theory and Mott insulators: Hubbard U insteat of Stoner I, PRB Vol44 No 3 (1991);
3d轨道U和J计算如下所示:主要原理是改变d轨道的占据,在自旋极化的前提下计算不同自旋轨道能量的差值提取U和J,U微Coulomb排斥能,J是交换能,U在所有电子中都存在,不管自旋是否相同,J只存在于自旋相同的电子上。
下面给出过渡金属(不包括稀土元素)U和J参数的选取(uint in Ry,1Ry=13.6eV):
3d series:
Elements U J
V 0.25 0.05
Cr 0.26 0.053
Mn 0.28 0.055
Fe 0.3 0.058
Co 0.31 0.059
Ni 0.31 0.06
4d series:
Elements U J
Nb 0.19 0.04
Mo 0.2 0.04
Tc 0.21 0.042
Ru 0.22 0.042
Rh 0.25 0.044
Pd 0.29 0.044
5d series:
Elements U J
Ta 0.19 0.039
W 0.20 0.038
Re 0.205 0.039
Os 0.2 0.039
Ir 0.21 0.038
Pt 0.215 0.038
对于其他过渡金属化合物U一般在5-10eV之间。如在PRB73,134418(2006)这个文献中作者在计算Co掺杂的ZnO时采用的U是6和 8eV。过渡金属的U数值和d电子排列以及价态有关系,因此上面给出的数值只是一个大概的估算数值,具体文献见Physical Review B Vol50,No23,1994.
LDA+U 算法主要原创作者是俄罗斯金属研究所的V.I. Anisimov,重要文献有:
Corrected atomic limit in the local density approximation and the electronic structure of d impurities in Rb, Phys.Rev.B 50,23 (1994);
Band theory and Mott insulators: Hubbard U instead of Stoner I, Phys.Rev.B. 44 No.3 (1991);
Materials Studio 4.3版本中也给出了一些元素默认的U数值(实际是Ueff=U-J):
Element Name | Atomic number | Angular Momentum | Hubbard U |
Sc | 21 | d | 2.5 eV |
Ti | 22 | d | 2.5 eV |
V | 23 | d | 2.5 eV |
Cr | 24 | d | 2.5 eV |
Mn | 25 | d | 2.5 eV |
Fe | 26 | d | 2.5 eV |
Co | 27 | d | 2.5 eV |
Ni | 28 | d | 2.5 eV |
Cu | 29 | d | 2.5 eV |
Y | 39 | d | 2.0 eV |
Zr | 40 | d | 2.0 eV |
Nb | 41 | d | 2.0 eV |
Mo | 42 | d | 2.0 eV |
Tc | 43 | d | 2.0 eV |
Ru | 44 | d | 2.0 eV |
Rh | 45 | d | 2.0 eV |
Pd | 46 | d | 2.0 eV |
Ag | 47 | d | 2.0 eV |
Cd | 48 | d | 2.0 eV |
La | 57 | f | 6.0 eV |
Ce | 58 | f | 6.0 eV |
Pr | 59 | f | 6.0 eV |
Nd | 60 | f | 6.0 eV |
Pm | 61 | f | 6.0 eV |
Sm | 62 | f | 6.0 eV |
Eu | 63 | f | 6.0 eV |
Gd | 64 | f | 6.0 eV |
Tb | 65 | f | 6.0 eV |
Dy | 66 | f | 6.0 eV |
Ho | 67 | f | 6.0 eV |
Er | 68 | f | 6.0 eV |
Tm | 69 | f | 6.0 eV |
Yb | 70 | f | 6.0 eV |
Fr | 87 | f | 2.0 eV |
Ra | 88 | f | 2.0 eV |
Ac | 89 | f | 2.0 eV |
Th | 90 | f | 2.0 eV |
Pa | 91 | f | 2.0 eV |
U | 92 | f | 2.0 eV |
Np | 93 | f | 2.0 eV |
Pu | 94 | f | 2.0 eV |
Am | 95 | f | 2.0 eV |
Cm | 96 | f | 2.0 eV |
Bk | 97 | f | 2.0 eV |
Cf | 98 | f | 2.0 eV |
Es | 99 | f | 2.0 eV |
Fm | 100 | f | 2.0 eV |
Md | 101 | f | 2.0 eV |
No | 102 | f | 2.0 eV |
来自: http://hi.baidu.com/aryanlovesally/blog/item/03bc90019e1910034afb5176.html
LDAUU LDAUJ 两个参数是根据体系的POTCAR 中原子的种类来确定其值的个数,也就是说如果POTCAR 有三类原子的话,你想对其中的一类原子如V 加U 修正(假设加的U 为6.0V)的话,并且V 在POSCAR 中的顺序是 第2类原子,而其他元素的原子不想加U 的话,其相应值设为0 即可。
格式为:
LDAUU = 0.00 2.00 0.00
LDAUJ = 0.00 0.20 0.00
其他的:
LDAU =.TRUE.
LDAUTYPE = 2
LDAUL =-1 3 -1
LDAUPRING =2 ,此参数一般可以不设。
总之注意加 U 要和各种元素原子对应起来,这样才行。
LDAUJ 的值一般是LDAUU 值的1/10 或稍大一些,总之前者和后者差一个数量级。
LDAU = .TRUE. Switches on the L(S)DA+U.
• LDAUTYPE = 1|2|4 Type of L(S)DA+U (Default: LDAUTYPE = 2)
1 Rotationally invariant LSDA+U according to Liechtenstein et al.
4 Idem 1., but LDA+U instead of LSDA+U (i.e. no LSDA exchange splitting)
2 Dudarev’s approach to LSDA+U (Default)
• LDAUL = L .. l-quantum number for which the on site interaction is added
(-1: no on site terms added, 1: p, 2: d, 3: f, Default: LDAUL = 2)
• LDAUU = U .. Effective on site Coulomb interaction parameter
• LDAUJ = J .. Effective on
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