[论文解读] 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

2D Materials and Applications参考文献 43被引用 8

一句话总结

本首理论研究采用含顶点修正的准粒子自洽GW方法，比较了晶体黑氮（BN）和黑磷（BP）的电子与光学性质。尽管结构相似，BN表现出更大的光学带隙（2.5 eV vs. 0.26 eV），导致其在可见光区具有高透明度和强各向异性，主要归因于介电屏蔽减弱，从而增强了有效库仑相互作用。

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.

研究动机与目标

• 系统比较晶体黑氮（BN）与黑磷（BP）的电子与光学性质。
• 阐明其电子结构与光学响应差异的微观起源。
• 研究电子关联与介电屏蔽在决定光学性质中的作用。
• 分析BN在高压条件下的弹性与振动行为。

提出的方法

• 采用含顶点修正的准粒子自洽GW（QSGW）方法进行精确的电子结构计算。
• 使用包含Tamm-Dancoff近似的Bethe-Salpeter方程（BSE）计算光学响应。
• 在最大局域化Wannier函数基组中计算库仑相互作用，以分析电子关联效应。
• 在三个计算级别上进行计算：DFT-LDA、QSGW和QSGcW（包含梯形图修正）。
• 采用PAW形式化方法，使用GGA-PBE泛函，并对k-网格进行收敛性处理以实现自洽。
• 采用能量依赖展宽计算介电函数，并验证了k-点收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同的理论框架下，BN与BP的电子能带结构如何比较？
• RQ2 为何BN（2.5 eV）与BP（0.26 eV）之间的光学带隙存在显著差异？
• RQ3 介电屏蔽减弱在多大程度上增强了BN中有效库仑相互作用？
• RQ4 尽管存在强烈的库仑相互作用，为何在两种材料中激子形成均被抑制？
• RQ5 BN的弹性与振动性质与BP相比如何？

主要发现

• BN的光学带隙显著大于BP，达2.5 eV，而BP仅为0.26 eV，使BN在可见光波段具有高透明性。
• BN的光学响应表现出高度各向异性，主要由于介电屏蔽减弱，从而增强了有效库仑相互作用。
• 尽管存在强烈的电子-电子关联作用，但在BN与BP中激子效应均被抑制，主要归因于屏蔽效应和能带色散的主导作用。
• BN表现出极高的刚性，与金刚石相当，表明其具有极强的机械稳定性。
• BN中屏蔽效应的减弱是其大光学带隙与强各向异性的主要因素。
• 光学谱收敛需在BN中包含12个价带与12个导带，而BP仅需4个价带与2个导带，反映出BN中电子-空穴关联作用更强。