A DFT+DMFT study of the electronic structure and optical properties of the blue pigment material YIn1−xMnxO3

Abstract

In dieser Arbeit werden, mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT), die Gitterstruktur sowie die elektronischen und optischen Eigenschaften des korrelierten blauen Pigmentmaterials YIn1−xMnxO3 untersucht. Die Gitterstrukturen, in denen sich fünf O2− Ionen in einer trigonalen Bipyramide (TBP) um das zentrale Mn3+ Ion koordinieren, werden in DFT und DFT+U für verschiedene Mn-Konzentrationen x relaxiert. Der Fokus liegt auf dem niedrigen x-Bereich, da dort die blaue Farbe im Experiment beobachtet wurde. Die resultierenden Strukturen werden dann zur Berechnung, im Rahmen der mBJ@DFT+DMFT Methode, der elektronischen und optischen Eigenschaften verwendet. Um Korrelationseffekte zu berücksichtigen wird die lokale Coulomb-Wechselwirkung der Mn-3d Orbitale mit einbezogen. Weiters wird das modifizierte Becke-Johnson-Potential (mBJ) in einer perturbativen Weise angewandt, um semilokale Austauschwechselwirkungen zu berücksichtigen und dadurch eine verbesserte Beschreibung der Bandlücken zu erreichen. Bei diesem Ansatz kommt die Hubbard-I Approximation zur Anwendung, um das DMFT-Impurity-Problem zulösen.

In this work we investigate the lattice and electronic structure, as well as the optical properties of the correlated blue pigment material YIn1−xMnxO3 within density functional theory (DFT) and dynamical mean-field theory (DMFT). The lattice structures, where five O2− ions coordinate in a trigonal bipyramid (TBP)around the central Mn3+ ion, are relaxed within DFT and DFT+U for various Mn-concentrations x. We focus on the low x regime since this is were the blue color was observed in experiments. The resulting structures are then used to calculate the electronic and optical properties within mBJ@DFT+DMFT, where an on-site Coulomb interaction of the Mn-3d states is included to incorporate correlation effects. Furthermore, the modified Becke-Johnson (mBJ) potential is applied in a perturbative way to take semilocal exchange into account for an improved description of band gaps. In this approach, we employed the Hubbard-I approximation to solve the DMFT impurity problem.