Density functional theory approximations from semiclassical considerations

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-01-24
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
62 + app. 46
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 11/2020
Abstract
This dissertation belongs to the domain of computational material physics with a focus on theory and application of density functional theory (DFT). The main focus is on the semiclassical description of atoms, and its use in improving kinetic energy functionals for orbital-free density functional theory (OFDFT). The dissertation comprises four publications, three of which are targeting the study and improvement of OFDFT. The fourth publication is a density functional theory study of wide band-gap semiconductor Ga2O3. OFDFT is an approach in which the physical properties of materials are direct functionals of electronic density in the spirit of Hohenberg-Kohn theorems. Relying only on the electronic density makes even quite large systems computationally tractable. Naturally, there is a trade-off between accuracy and speed for realistic orbital-free approximations when compared to the Kohn-Sham scheme, which is more accurate but uses computationally more expensive non-interacting orbitals to predict the properties of a material. The nature of the orbital-free approximation is semiclassical, where the Pauli principle is only roughly taken into account. We use the generalized gradient approximation (GGA) to develop a new kinetic energy functional form RATIONAL for OFDFT, which unifies previous results on GGA kinetic energy functionals. The parameters of the RATIONAL functional are obtained from the semiclassical description of atomic systems, resulting in a well-performing functional for simple solids. We study the limit of large atomic numbers, large-Z limit, for the ionization potential of atoms and lattice constants of simple solids. Remarkably it is found that both Kohn-Sham and orbital-free models have finite large-Z limit for the lattice constants. The Englert-Schwinger (ES) model is an orbital-free model of the atom, which uses potential functionals for essential approximations. The model sidesteps a theoretical flaw, which is the inadequate description of electrons near the nucleus, found in other orbital-free models. We solve the ES model self-consistently and analyze it by comparing it to Kohn-Sham results and other orbital-free models. We find that ES model provides a better description of ionization potential in the large-Z limit than other orbital-free models. As an application of DFT, we perform a defect study of wide band-gap semiconductor Ga2O3. There is a growing interest in solid-state neutron detection, e.g. for nuclear safety, to replace the current 3He detectors, which are expensive and bulky. We study the defect structure of Ga2O3 to assess if it is possible to dope it with neutron active element 10B. We find that for a broad range of chemical environments, it is feasible to introduce electronically inactive 10B into Ga2O3.

Tämä väitöskirja kuuluu laskennallisen materiaalitieteen piiriin, joka keskittyy tiheysfunktionaaliteorian (DFT) teoreettiseen kehittämiseen ja soveltamiseen. Pääasiallisena sisältönä on semiklassisen atomin kuvaus ja sen käyttö orbitaalivapaassa tiheysfunktionaaliteoriassa (OFDFT) kineettisten energiafunktionaalien kehitykseen. Tämä väitöskirja koostuu neljästä julkaisusta, joista kolme on suunnattu orbitaalivapaiden approksimaatioiden tutkimukseen. Neljäs julkaisu käsittelee Ga2O3 puolijohteen tutkimista tiheysfunktionaaliteorialla. OFDFT on lähestymistapa, jossa kaikki materiaalin fysikaaliset ominaisuudet ovat elektronitiheyden funktionaaleja. Pelkästään elektronitiheyden käyttäminen mahdollistaa entistä isompien systeemien mallintamisen laskennallisesti. Luonnollisesti nopeus vaatii tarkkuuden karsimista verrattaessa Kohn-Sham malliin, joka on OFDFT:ää tarkempi, mutta käyttää laskennallisesti hitaampia Kohn-Sham orbitaaleja. Orbitaalivapaat approksimaatiot ovat luonteeltaan semiklassisia, jossa Paulin periaate otetaan huomioon vain karkeasti. Työssä käytetään yleistettyä gradienttiapproksimaatiota (GGA) uuden kineettisen tiheysfunktionaalimuodon RATIONAL kehitykseen, joka yhdistää aikaisempi tuloksia GGA-tyyppisille kineettisille funktionaaleille. RATIONAL-tyyppisille funktionaaleille etsitään parametriarvot käyttämällä semiklassista atomia, mikä johtaa funktionaaleihin, jotka ovat hyviä mallintamaan kiinteää ainetta. Tässä väitöskirjassa ionisaatioenergiaa ja kiinteän aineen hilavakioita tutkitaan suurten atomilukujen rajalla. Työssä havaitaan, että Kohn-Sham mallissa hilavakiolla on äärellinen arvo suurten atomilukujen rajalla. Englert-Schwinger (ES)-malli on orbitaalivapaa malli atomille, joka käyttää potentiaalifunktionaaleja keskeisiin approksimaatioihin. Malli parantaa atomien ydintä lähellä olevien elektronien kuvailua verrattuna muihin orbitaalivapaisiin malleihin. ES-malli ratkaistaan ja analysoidaan vertaamalla tuloksia Kohn-Sham-malliin ja muihin orbitaalivapaisiin malleihin. Tiheysfunktionaaliteorian sovelluksena väitöskirjassa tehdään defektitutkimus Ga2O3 puolijohteelle. Uudentyyppisten neutroni-ilmaisimien rakentamiseen on kasvava tarve erityisesti ydinturvallisuuden alalla. Erityisesti nykyiset heliumiin perustuvat ilmaisimet ovat varsin isokokoisia ja kalliita ja niiden korvaaminen puolijohteisiin perustuvilla ilmaisimilla on aktiivinen tutkimusala. Työssä selvitetään mahdollisuutta doupata Ga2O3 puolijohdetta neutroniaktiivisella boorilla tutkimalla materiaalin defektirakennetta. Tutkimuksesta selviää, että Ga2O3 puolijohteeseen on mahdollista lisätä elektronisesti neutraalia booria 10B monissa kemiallisissa olosuhteissa.
Description
Supervising professor
Rinke, Patrick, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Lopez Acevedo, Olga, Prof., University of Antioquia, Colombia
Keywords
orbital-free, density functional theory, semiclassical, gallium oxide, tiheysfunktionaaliteoria, semiklassinen, orbitaalivapaa
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. Lehtomäki, O. Lopez Acevedo. Self-consistent assessment of Englert-Schwinger model on atomic properties. Journal of Chemical Physics, 2017, Volume 147, Issue 23.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201802091426
    DOI: 10.1063/1.5000908 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Lehtomäki, O. Lopez Acevedo. Large-Z limit in atoms and solids from first principles. Journal of Chemical Physics, 2019, Volume 151, Issue 24.
    DOI: 10.1063/1.5129397 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Lehtomäki, O. Lopez Acevedo. Semilocal kinetic energy functionals with parameters from neutral atoms. Physical Review B, 2019, Volume 100, Issue 16, 165111,
    DOI: 10.1103/PhysRevB.100.165111 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Lehtomäki, J. Li, P. Rinke. Boron doping in gallium oxide from first principles. Submitted to New Journal of Physics, 9 pages, October 2019.
  • [Errata file]: Errata of P1
Citation