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CP2K: DFT+U

学习目标

  • 学习资料

  • DFT+U基本原理

  • CP2K DFT+U设置

  • DFT+U 查看电子占据态

学习资料

Dudarev, S. L., Manh, D. N., & Sutton, A. P. (1997). Effect of Mott-Hubbard correlations on the electronic structure and structural stability of uranium dioxide. Philosophical Magazine B: Physics of Condensed Matter; Statistical Mechanics, Electronic, Optical and Magnetic Properties, 75(5), 613–628..

Dudarev, S. L., Botton, G. A., Savrasov, S. Y., Humphreys, C. J., & Sutton, A. P. (1998). Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+U study. Physical Review B, 57(3), 1505–1509. .

Himmetoglu, B.; Floris, A.; de Gironcoli, S.; Cococcioni, M. Hubbard-Corrected DFT Energy Functionals: The LDA+U Description of Correlated Systems. International Journal of Quantum Chemistry 2013, 114 (1), 14–49..

DFT+U基本原理

DFT对于电子的描述是偏向离域化的,因此DFT可以较好地描述金属态固体。对于过渡金属系列的氧化物,例如Fe2O3,CoO,Co3O4,NiO等。过渡金属中仍然含有d电子。在固体中,d电子较为局域,且局域在过渡金属离子周围。此时单单使用DFT并不能很好的描述局域化的电子。我们可以通过加大d电子之间的静电排斥(U)来达到目的。

CP2K DFT+U设置

CP2K_INPUT / FORCE_EVAL / DFT

PLUS_U_METHOD MULLIKEN

其中MULLIKEN_CHARGES不推荐, LOWDIN方法好像更准但是不能够算FORCES,cp2k v8.2版本后可以算FORCES,(详细参考)[https://groups.google.com/g/cp2k/c/BuIOSWDqJTc/m/fSL89NZaAgAJ]

CP2K_INPUT / FORCE_EVAL / SUBSYS / KIND / DFT_PLUS_U

对想要+U的元素的对应KIND设置

&DFT_PLUS_U
    # 轨道角动量 0 s轨道 1 p轨道 2 d轨道 3 f轨道
    L 2 
    # 有效U值,记得写[eV],不然默认为原子单位
    U_MINUS_J [eV]  3 
&END DFT_PLUS_U

DFT+U 查看电子占据态

如果我们想知道+U之后对应原子中,例如d轨道的电子,的占据情况。我们可以利用如下设置将其print在output中。

CP2K_INPUT / FORCE_EVAL / DFT / PRINT / PLUS_U下,

&PLUS_U MEDIUM
    ADD_LAST NUMERIC
&END PLUS_U

你会在output中得到如下输出

  DFT+U occupations of spin 1 for the atoms of atomic kind 3: Fe1

    Atom   Shell       d-2     d-1      d0     d+1     d+2   Trace
      37       1     1.068   1.088   1.047   1.093   1.069   5.365
      37       2     0.008   0.008   0.011   0.007   0.009   0.043
           Total     1.076   1.096   1.058   1.100   1.077   5.408

      38       1     1.064   1.102   1.047   1.089   1.086   5.388
      38       2     0.009   0.007   0.011   0.009   0.008   0.044
           Total     1.073   1.109   1.058   1.097   1.094   5.432

如果想看不加U的原子的占据情况,那可以给对应原子加一个非常小的U值,比如1e-20。