[論文レビュー] Electronic and optical properties of crystalline nitrogen versus black phosphorus: A comparative first-principles study

А. Н. Руденко, Swagata Acharya+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

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ひとこと要約

第一原理的考察により、頂点補正を含む準粒子自己無作為GW法を用いて、結晶性黒リン窒素（BN）と黒リン（BP）の電子的および光学的性質を比較した。構造的類似性にもかかわらず、BNは光学ギャップが著しく大きく（2.5 eV 対 0.26 eV）、可視領域で高い透過性と強い異方性を示す。これは、誘電スクリーニングの低下が有効クーロン相互作用を強化するためである。

ABSTRACT

Crystalline black nitrogen (BN) is an allotrope of nitrogen with the black phosphorus (BP) structure recently synthesized at high pressure by two independent research groups [Ji et al., Sci. Adv. 6, eaba9206 (2020); Laniel et al., Phys. Rev. Lett. 124, 216001 (2020)]. Here, we present a systematic study of the electronic and optical properties of BN focusing on its comparison with BP. To this end, we use the state-of-the-art quasiparticle self-consistent $GW$ approach with vertex corrections in both the electronic and optical channels. Despite many similarities, the properties of BN are found to be considerably different. Unlike BP, BN exhibits a larger optical gap (2.5 vs 0.26 eV), making BN transparent in the visible spectral region with a highly anisotropic optical response. This difference can be primarily attributed to a considerably reduced dielectric screening in BN, leading to enhancement of the effective Coulomb interaction. Despite relatively strong Coulomb interaction, exciton formation is largely suppressed in both materials. Our analysis of the elastic properties shows exceptionally high stiffness of BN, comparable to that of diamond.

研究の動機と目的

• 結晶性黒リン窒素（BN）と黒リン（BP）の電子的および光学的性質を、同一の理論的枠組みで体系的に比較すること。
• それらの電子構造および光学応答における差異の微視的起源を解明すること。
• 電子相関および誘電スクリーニングが光学的性質を決定づける役割を調査すること。
• 高圧条件下におけるBNの弾性および格子振動挙動を分析すること。

提案手法

• 正確な電子構造計算のため、頂点補正を含む準粒子自己無作為GW（QSGW）法を採用した。
• 光学応答を計算するために、Bethe-Salpeter方程式（BSE）にTamm-Dancoff近似を適用した。
• 最大局在Wannier関数基底でクーロン相互作用を計算し、電子相関効果を分析した。
• DFT-LDA、QSGW、QSGcW（ラダーダイアグラムを含む）の3段階の計算レベルで計算を実施した。
• PAW形式を用い、GGA-PBE関数を用い、自己無作為性を満たすための収束したkメッシュを適用した。
• エネルギー依存性の広がりを含む誘電関数を計算し、kポイント収束性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ理論的枠組み下で、BNとBPの電子バンド構造はどのように比較できるか？
• RQ2 BN（2.5 eV）とBP（0.26 eV）の間で光学ギャップに著しい差が生じる原因は何か？
• RQ3 BNにおける誘電スクリーニングの低減が、有効クーロン相互作用をどの程度強化するか？
• RQ4 強いクーロン相互作用があるにもかかわらず、なぜ両材料において励起子形成が抑制されるのか？
• RQ5 BNの弾性および格子振動特性は、BPと比較してどのように異なるか？

主な発見

• BNはBPと比較して顕著に大きな光学ギャップ（2.5 eV）を示し、可視光領域で透明である。
• 誘電スクリーニングの低減により、BNの光学応答は強く異方的となり、有効クーロン相互作用が強化される。
• 強い電子-電子相互作用があるにもかかわらず、両BNおよびBPにおいて励起子効果は、スクリーニングとバンド分散の優位性により抑制されている。
• BNはダイヤモンドに匹敵する極めて高い剛性を示し、極めて優れた機械的頑丈さを示している。
• BNにおける誘電スクリーニングの低減が、その大きな光学ギャップおよび強い異方性の主因である。
• 光学スペクトルの収束には、BNでは12個の価電子帯および12個の伝導帯が必要であったが、BPでは4個の価電子帯および2個の伝導帯で十分であった。これは、BNにおける電子-空孔相関が強いことを示している。