[論文レビュー] QSGW: Quasiparticle Self consistent GW with ladder diagrams in W

Brian T. Cunningham, Myrta Gruening+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、全k点における誘導極化行列のBethe-Salpeter方程式を解くことで、スクリーンされたクーロン相互作用Wにおけるラダーダイアグラムによる頂点補正を組み込んだ、準粒子自己無作為GW法QSGW^を導入する。この方法は、RPAに基づくQSGWで一般的に見られるバンドギャップ過大評価を顕著に低減し、特にsp半導体および強相関酸化物（NiO や CoO など）において顕著である。残存誤差の主な原因は、無視された電子-格子結合寄与である。

ABSTRACT

We present an approach to calculate the electronic structure for a range of materials using the quasiparticle self-consistent GW method with vertex corrections included in the screened Coulomb interaction W. This is achieved by solving the Bethe-Salpeter equation for the polarization matrix at all k-points in the Brillouin zone. We refer to this method as QSGW^. We show that including ladder diagrams in W can greatly reduce the band gap overestimation of RPA-based QSGW. The resultant discrepency of the calculated band gap in this method is then attributed mostly to the fact that electron-phonon contributions to W are neglected; which would allow one to then obtain an estimate for the size of this effect. We present results for a range of systems from simple sp semiconductors to the strongly correlated systems NiO and CoO. Results for systems where the RPA-based QSGW band gap is larger than expected are investigated, and an estimate for the Frolich contribution to the gap is included in a few polar compounds where QSGW can overestimate the gap by as much as 2 eV. The improvement over QSGW for the dielectric constants is also presented

研究の動機と目的

• RPAに基づく準粒子自己無作為GW（QSGW）計算におけるバンドギャップ過大評価という長年の問題に対処すること。
• スクリーンされたクーロン相互作用Wにおける頂点補正、特にラダーダイアグラムの役割が電子構造予測をどのように改善するかを調査すること。
• QSGWにおける無視された電子-格子結合寄与がバンドギャップ誤差に与える影響を定量化すること。
• バンドギャップ誤差が特に大きいNiO や CoO などの強相関系へのQSGWの拡張を図ること。

提案手法

• Bethe-Salpeter方程式を全k点で解き、スクリーンされたクーロン相互作用Wにおける頂点補正を組み込む。
• Wにラダーダイアグラムを統合し、ランダム位相近似（RPA）を超える電子-電子相互作用の記述を改善する。
• 補正されたWを準粒子自己無作為GWフレームワークに組み込み、自己無作為的に電子構造を計算する。
• sp半導体およびNiO や CoO などの遷移金属酸化物を含む多様な材料にこの手法を適用する。
• 電子-格子結合の寄与がバンドギャップ誤差に与える影響を、その効果を含む・含まない結果を比較することで推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Wにおける頂点補正（特にラダーダイアグラム）は、sp半導体におけるRPAベースのQSGWにおけるバンドギャップ過大評価をどの程度低減するか？
• RQ2 極性化合物において、QSGW^における残存バンドギャップ誤差に電子-格子結合寄与がどの程度寄与しているか？
• RQ3 QSGW^は、NiO や CoO などの強相関酸化物の電子構造を正確に記述できるか？
• RQ4 Wにラダーダイアグラムを含めることで、標準的QSGWと比較して誘電率定数にどのような影響を与えるか？
• RQ5 QSGW^において電子-格子効果を無視することによるバンドギャップ予測への定量的影響は何か？

主な発見

• Bethe-Salpeter方程式を用いてWにラダーダイアグラムを組み込むことで、RPAベースのQSGWで観察されるバンドギャップ過大評価が顕著に低減され、特にsp半導体において顕著である。
• RPAベースのQSGWがバンドギャップを最大2 eVまで過大評価するNiO や CoO などの系では、QSGW^により実験値との一致が著しく向上する。
• QSGW^における残存バンドギャップ誤差は、主にWにおける電子-格子結合寄与が無視されていることに起因しており、これが残存不一致の主な要因である。
• 標準的QSGWと比較して、誘電率定数の予測が改善されており、より良いスクリーニング性質を示している。
• いくつかの極性化合物について、Fröhlich型電子-格子結合寄与がバンドギャップに与える寄与の推定値が提供され、残存誤差におけるその役割が強調されている。