[논문 리뷰] Electronic and optical properties of crystalline nitrogen versus black phosphorus: A comparative first-principles study

А. Н. Руденко, Swagata Acharya외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 03.

2D Materials and Applications참고 문헌 43인용 수 8

한 줄 요약

이 최초 원리 연구는 정점 보정을 포함한 준입자 자기일관 GW 방법을 사용하여 결정질 검은색 질소(BN)와 흑색 인(P)의 전자적 및 광학적 성질을 비교한다. 구조적 유사성에도 불구하고 BN은 훨씬 큰 광학 갭(2.5 eV 대비 0.26 eV)을 보이며, 이는 가시광선 범위에서 높은 투과성과 강한 이방성으로 이어지는데, 주로 전기적 스크리닝 감소로 인해 효과적인 쿠론 상호작용이 증가하기 때문이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 결정질 검은색 질소(BN)와 흑색 인(BP)의 전자적 및 광학적 성질을 체계적으로 비교하기 위해.
• 그들의 전자 구조 및 광학 응답에서의 차이의 미세한 기원을 밝혀내기 위해.
• 전자 상호작용 및 전기적 스크리닝이 광학적 성질을 결정하는 데 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 고압 조건에서 BN의 탄성 및 진동 거동을 분석하기 위해.

제안 방법

• 정확한 전자 구조 계산을 위해 정점 보정을 포함한 준입자 자기일관 GW(QSGW) 방법을 사용하였다.
• 광학 응답을 계산하기 위해 Tamm-Dancoff 근사법을 적용한 베테-살파터 방정식(BSE)을 사용하였다.
• 최대 국소화 워니어 함수 기저에서 쿠론 상호작용을 계산하여 전자 상호작용 효과를 분석하였다.
• 세 수준에서 계산을 수행하였다: DFT-LDA, QSGW, QSGcW(계단도 포함).
• PAW 형식을 사용하고 GGA-PBE 기능을 적용하며, 자기일관성을 확보하기 위해 수렴된 k-메시지를 사용하였다.
• 에너지 의존성 넓이를 적용하여 유전율 함수를 계산하고 k-점 수렴성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 이론적 프레임워크 하에서 BN과 BP의 전자 밴드 구조는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 BN(2.5 eV)과 BP(0.26 eV) 사이의 광학 갭 차이는 무엇 때문인가?
• RQ3 BN에서 전기적 스크리닝 감소가 효과적인 쿠론 상호작용을 얼마나 강화하는가?
• RQ4 강한 쿠론 상호작용에도 불구하고 양 물질에서 어떻게 비오르비탈 형성이 억제되는가?
• RQ5 BN의 탄성 및 진동 성질은 BP와 비교하여 어떻게 되는가?

주요 결과

• BN은 BP에 비해 훨씬 큰 광학 갭(2.5 eV)을 보이며, 이는 가시광선 영역에서 BN의 투과성과 관련이 있다.
• BN의 광학 응답은 전기적 스크리닝 감소로 인해 매우 이방성이 강하며, 이는 효과적인 쿠론 상호작용을 증가시킨다.
• 강한 전자-전자 상호작용에도 불구하고, 스크리닝과 밴드 분산의 지배적 영향으로 인해 BN과 BP 양자 모두에서 비오르비탈 효과가 억제된다.
• BN는 다이아몬드 수준의 높은 강성과 함께 극도로 높은 기계적 내구성을 나타낸다.
• BN에서의 낮은 스크리닝이 큰 광학 갭과 강한 이방성의 주요 원인이다.
• BN의 광학 스펙트럼 수렴을 위해 12개의 가액대와 12개의 도핑대가 필요했으며, BP는 각각 4개와 2개로, BN에서의 전자-정공 상호작용 상호작용이 더 강하다는 것을 반영한다.