[論文レビュー] Ab-initio dielectric response function of diamond and other relevant high pressure phases of carbon

Kushal Ramakrishna, Jan Vorberger|PubMed|Sep 18, 2018

High-pressure geophysics and materials参考文献 94被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多体摂動理論および時間に依存する密度汎関数理論（TDDFT）を用いて、ダイヤモンド、bc8、ロンズデールライト炭素相のab initio的誘電応答関数を計算し、高圧および温い密度物質領域における励起子効果に注目している。ベーテ-サルピーター方程式（BSE）にGW0とハイブリッド関数を組み合わせることで、非弾性X線散乱スペクトルを正確に再現でき、主な結果として、band gapが1.94 eV（bc8）、5.47 eV（fcc）、4.65 eV（ロンズデールライト）であり、誘電定数は実験値と5%以内で一致している。

ABSTRACT

The electronic structure and dielectric properties of the diamond, body centered cubic diamond (bc8), and hexagonal diamond (lonsdaleite) phases of carbon are computed using density functional theory and many-body perturbation theory with the emphasis on the excitonic picture of the solid phases relevant in the regimes of high-pressure physics and warm dense matter. We also discuss the capabilities of reproducing the inelastic x-ray scattering spectra in comparison with the existing models in light of recent x-ray scattering experiments on carbon and carbon bearing materials in the Megabar range.

研究の動機と目的

• 高圧および温い密度物質状態下におけるダイヤモンド、bc8、ロンズデールライト炭素相の誘電応答関数を計算すること。
• 電子-正孔相互作用および励起子効果が、これらの相の光学的および電子的性質に与える影響を評価すること。
• メガバール領域における最近の実験データと照らし合わせて、非弾性X線散乱（IXS）スペクトルの理論的予測をベンチマークすること。
• 温い密度炭素におけるTDDFTの交差項関数（LRC、Bootstrap）の性能を評価すること。
• DFTにGW0およびハイブリッド関数（HSE06、PBE0）を組み合わせることで、正確な状態方程式（EOS）パラメータおよびバンドギャップを導出すること。

提案手法

• 地面状態の電子構造および状態方程式（EOS）を計算するために、elkコードを用いた密度汎関数理論（DFT）を採用。EOSはVinet方程式を用いて算出。
• 励起子効果および誘電関数を計算するために、多体系摂動理論（GW0）およびベーテ-サルピーター方程式（BSE）を適用。
• 時間に依存するDFT（TDDFT）を用い、LRCおよびBootstrapの交差項関数カーネルを用いて動的応答および非弾性散乱をモデル化。
• フラクチュエーション-散逸定理およびクーロンポテンシャルを用いて、動的構造因子（DSF）および逆誘電関数を計算。
• kポイントサンプリングおよびスメアリングを用いて、高圧（最大150 GPa）および高温（6000 K）でのシミュレーションを実施し、収束性を確保。
• 実験的EOSおよび誘電定数との整合性を検証し、IXSスペクトルを既存のモデルと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW0およびBSE手法は、高圧炭素相の誘電応答およびバンドギャップをどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 励起子効果は、ダイヤモンド、bc8、ロンズデールライトにおいて、誘電関数および非弾性X線散乱スペクトルにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 異なるTDDFTの交差項関数カーネル（LRC対Bootstrap）は、温い密度炭素における計算された誘電応答にどのような影響を及えるか？
• RQ4 高圧下におけるbc8およびロンズデールライト相の平衡構造的および電子的性質（バンドギャップ、体積モodulus、誘電定数）は何か？
• RQ5 理論的IXSスペクトルは、最近のメガバール領域X線散乱実験のデータを再現できるか？

主な発見

• GW0-BSE手法により、bc8相のバンドギャップは1.94 eVと予測され、実験値の約2.0 eVと良好に一致している。
• fcc相では、GW0を用いた計算でバンドギャップが5.47 eVと算出され、実験値の5.48 eVと非常に近い値である。
• ロンズデールライト相では、GW0を用いてバンドギャップが4.65 eVと算出され、強度の向上が予想される高硬度と整合的である。
• BSEを用いたダイヤモンドの静的誘電定数は8.04と算出され、HSE06関数を用いることで実験値の8.0（1%以内）と一致する。
• bc8相の体積モodulusは433.1 GPa、平衡体積は5.46 ųと算出され、実験的推定値と整合的である。
• Bootstrapカーネルを用いたTDDFTは、特に高圧および高温条件下でLRCカーネルよりも収束性および精度に優れている。