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第一性原理BSE方法计算固体材料激子能谱的准确度评估

批准号:
12074034
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
李元昌
依托单位:
学科分类:
凝聚态物质力热光电性质
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李元昌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
激子是固体材料最重要的元激发之一,在光与物质的相互作用和玻色凝聚等方面扮演重要角色。激子是一种典型的多体相互作用。描述激子性质的最重要的两个定量指标是激子能量和结合能。第一性原理方法求解Bethe-Salpeter方程(BSE)是当下研究固体材料,尤其是低维系统激子性质的重要工具。现代第一性原理计算常存在系统性偏差,典型案例是密度泛函理论对能隙的系统低估。但第一性原理BSE方法计算激子能量和结合能等是否存在系统性偏差尚不清楚也未见研究。本项目旨在通过对典型固体材料第一性原理BSE计算结果的数理统计分析,评估该方法计算激子能谱的精度并数据定标。于定性和定量层面上建立DFT能带结构,GW自能修正和Tamm-Dancoff近似对激子能量和结合能等性质的影响规律,揭示物理成因及可能的误差抵消效应,形成对进一步优化使用第一性原理BSE方法研究固体材料激发态性质的改进建议。
英文摘要
Exciton is one of the most important elementary excitations in solids and plays an important role in the interaction between light and matter, as well as Bose condensation. Exciton represents a typical many-body interaction. Exciton energy and binding energy are the two single-most important physical parameters to describe the excitonic properties. At present, first-principles Bethe-Salpeter equation (BSE) calculation is an important tool for studying the excitons in solids, especially in low-dimensional systems. Modern first-principles calculations usually have a systematic error. A typical case is the underestimation of energy gap by density functional theory. However, it is not clear whether the first-principles BSE method has systematic error in calculating exciton energy and binding energy. The purpose of this project is to evaluate the accuracy of the method for calculating excitonic properties and to calibrate the data through mathematical statistical analysis of the results for typical solids. The effects of GW self-consistency, exchange-correlation functionals and Tamm-Dancoff approximation on excitonic properties will be unraveled both qualitatively and quantitatively, as well as the underlying physics. Suggestions would be made to further improve the accuracy in calculating the excitonic properties of solids using first-principles BSE method.
激子是固体最重要的元激发之一,在光与物质的相互作用和玻色凝聚等方面扮演重要角色。第一性原理方法求解Bethe-Salpeter方程(BSE)是当下研究固体材料,尤其是低维系统激子性质的重要工具。本项目围绕第一性原理BSE方法研究固体材料的电子结构和激子性质,在方法发展、实验现象解释和激子绝缘体预测三个方面取得了重要结果,具体包括:.(1)提出了一种判别正确的DFT带隙是源于正确的物理原因还是误差抵消的标准,并将其应用于+1价铜族化合物CuCl, CuBr, CuMO2(M = Al、Ga 和 In)和Cu2X(X = S、Se 和 Te)。我们的杂化赝势计算在统计上得到与实验结果一致的基础带隙、光学带隙、激子结合能和Cu 3d轨道能量。而传统上基于价电子修正方法的各种计算则无法同时再现这些关键性质。这是由于杂化赝势同步修正了原子侧4s-3d轨道分裂和固体侧带隙的低估,捕捉到了带隙问题的物理本质。Hubbard U和杂化泛函虽然可以通过调节参数得到正确的实验带隙,但不是正确原因给出的正确结果,而是源于误差抵消。.(2)我们提出光学吸收谱可以提供一个清晰的指纹来区分Mott-Hubbard、中间和电荷转移绝缘体。这种区分反映在d-d和p-d激发导致的特征吸收谱峰的卫星信号上的定性差异上,因此允许仅依靠实验数据进行识别。这与需要额外理论解释的现有方法不同。我们得出结论CoO是一个中间型绝缘体,而不是最初认为的Mott-Hubbard绝缘体。我们预言了第一个稳定的六角的TiO2单层结构,并利用第一性原理BSE计算表明TiO₂单层的输运带隙和光学带隙都比体相,如金红石 TiO₂大。.(3)我们从统计学上证明了一维理想激子气可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。这是由于其化学势不等于零,与理想自由玻色子不同。后者是不存在一维凝聚的。发现"奇偶阻锉"机制妨碍了通常拓扑绝缘体中的激子失稳,而那些带反转与自旋轨道耦合无关的拓扑绝缘体是拓扑激子绝缘体的候选。我们预言二维AlSb单层、双过渡金属MXenes和一维有机过渡金属分子线是激子绝缘体。
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