[论文解读] Quasiparticle Effects in the Bulk and Surface-State Bands of Bi2Se3 and Bi2Te3 Topological Insulators

Oleg V. Yazyev, Emmanouil Kioupakis+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文将多体 $GW$ 计算应用于拓扑绝缘体 Bi₂Se₃ 和 Bi₂Te₃ 的体态与表面态，以校正准粒子效应，引入能量依赖的“剪切算符”，精确移动能带边和狄拉克点位置。该方法与实验结果达到定量一致，揭示了显著的狄拉克点位移（例如，Bi₂Se₃ 中从价带以下 0.04 eV 移至以上 0.07 eV），并由于表面间杂化作用而增强了表面能隙。

ABSTRACT

We investigate the bulk band structures and the surface states of Bi2Se3 and Bi2Te3 topological insulators using first-principles many-body perturbation theory based on the GW approximation. The quasiparticle self-energy corrections introduce significant changes to the bulk band structures, while their effect on the band gaps is opposite in the band-inversion regime compared to the usual situation without band inversion. Parametrized "scissors operators" derived from the bulk studies are then used to investigate the electronic structure of slab models which exhibit topologically protected surface states. The results including self-energy corrections reveal significant shifts of the Dirac points relative to the bulk bands and large gap openings resulting from the interactions between the surface states across the thin slab, both in agreement with experimental data.

研究动机与目标

• 解决标准密度泛函理论（DFT）在准确预测拓扑绝缘体（如 Bi₂Se₃ 和 Bi₂Te₃）准粒子能级与能带隙方面的已知缺陷。
• 通过 $GW$ 多体微扰理论量化电子关联效应对体态能带结构与表面态的影响。
• 开发一种实用的参数化校正方法——“剪切算符”，可应用于标准 DFT 计算，以提高对拓扑绝缘体性质的预测精度。
• 解决 DFT 预测与实验观测之间的差异，特别是关于薄膜中狄拉克点能量位置与表面态能隙的问题。

提出的方法

• 使用 BerkeleyGW 代码对体相 Bi₂Se₃ 和 Bi₂Te₃ 进行从头算 $G_0W_0$ 计算，初始波函数基于 LDA，自能修正基于此。
• 自旋-轨道耦合作为后处理修正，通过从非自旋-轨道耦合本征态导出的双分量基组，应用于准粒子哈密顿量。
• 拟合能量依赖的“剪切算符”，使其在价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）处匹配 $GW$ 准粒子位移，从而实现对超胞模型的高效应用。
• 将修正后的哈密顿量应用于不同厚度的 (111) 超胞模型，随后添加 SO 耦合以保持拓扑表面态的完整性。
• 计算超胞的能带结构与表面能隙，并与角分辨光电子能谱（ARPES）实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW 准粒子修正如何定量改变 Bi₂Se₃ 和 Bi₂Te₃ 的体态能带结构与能带隙，特别是在能带反转区域？
• RQ2 准粒子效应在多大程度上改变了拓扑绝缘体表面态中狄拉克点能量相对于体带的位置？
• RQ3 GW 修正如何影响由于表面间杂化作用导致的薄膜中表面态能隙？
• RQ4 参数化的“剪切算符”技术能否有效将 GW 的精度引入标准 DFT 计算，用于拓扑绝缘体？

主要发现

• 在 Bi₂Se₃ 中，GW 准粒子修正使狄拉克点从 DFT 计算的体价带以下 0.04 eV 移动至以上 0.07 eV，与实验值（0.095 eV 以上）更加一致。
• 对于 Bi₂Te₃，狄拉克点相对于体 VBM 的位置从 −0.20 eV 移至 −0.10 eV，接近实验值 −0.13 eV。
• 在 Γ 点，表面态能隙在准粒子修正后显著增大，且在较厚超胞中呈现 1/宽度的衰减行为，与 Bi₂Se₃ 薄膜的实验测量结果一致。
• 基于 GW 的“剪切算符”技术成功再现了实验测得的表面能隙与狄拉克点位置，而无需对超胞系统进行完整的 GW 计算。
• 准粒子修正对表面态的自旋极化度影响甚微，表明其具有强拓扑保护特性。