半导体Si和GaAs的GW近似能带结构与BSE吸收光谱的研究

基于密度泛函理论,采用平面缀加波的广义密度近似的PBE泛函和准粒子近似的GW方法对典型的半导体硅Si和砷化镓GaAs的能带结构进行了研究;同时研究了Si和GaAs的光吸收谱,并利用多体微扰理论的BetheSalpeter方程(BSE)进行了修正。计算结果表明,准粒子近似的GW方法对Si和GaAs的能隙预测结果和实验值符合较好,考虑了电子—空穴对激子效应的GW-BSE多体微扰方法计算的Si和GaAs的介电函数吸收谱与实验谱符合最佳;研究说明激子效应在半导体光谱性质分析方面十分重要。

硅烷的GW准粒子能带修正和BSE光吸收谱的计算

利用基于GW近似和Bethe-Salpeter方程(BSE)的第一性原理多体微扰方法,计算了二维间接带隙半导体材料椅形硅烷(chairlike silicane)能带的准粒子修正以及光吸收谱。椅形硅烷的电子间强的相互作用显著影响着电子结构,其间接带隙从2.08 eV修正到3.53 eV,直接带隙从2.44 eV修正到3.85 eV。通过比较GW和BSE的光学吸收谱,发现椅形硅烷的束缚激子的束缚能可以达到0.40 eV,远大于硅体材料的15 meV激子束缚能。椅形硅烷的显著激子效应对于硅烯纳米材料的光电子器件应用有重要意义。

GW/BSE级别下的非绝热动力学模拟揭示桥连化学键对调控酞菁锌-富勒烯给体-受体复合物激发态弛豫过程的重要作用

本文采用基于多体格林函数方法和Bethe-Salpeter方程(GW/BSE)的电子结构计算方法和非绝热动力学模拟研究了两种不同桥连化学键构型(5-6构型和6-6构型)的酞菁锌-富勒烯(ZnPc-C_(60))给受体复合物的激发态性质及其弛豫过程.对于6-6构型,ZnPc-C_(60)的最低激发态S_(1)态为光谱明态,即ZnPc的局域激发(LE)态,因此,6-6构型的ZnPc-C_(60)在光激发之后几乎不会发生电荷分离过程.相比之下,5-6构型的ZnPc-C_(60)的S_(1)态是C_(60)的LE态,为光谱暗态,而作为光谱明态的ZnPc的LE态的能量更高.而且,在ZnPc和C_(60)的LE态之间还存在若干电荷转移(CT)态.因此,电荷转移会在从高能的ZnPc的LE态到低能的C_(60)的LE态的弛豫过程中发生.GW/BSE级别的非绝热动力学模拟结果进一步验证了电子结构计算的结论,并给出了相关过程的时间尺度:从ZnPc到C_(60)的超快激发态能量转移过程在前200 fs完成;随后发生的是由C_(60)到ZnPc的超快空穴转移过程.本工作表明不同的桥连化学键模式(即5-6和6-6构型)可用于调节ZnPcC_(60)给体-受体复合物的激发态性质及其光电性质.与此同时,本工作证明了GW/BSE级别的非绝热动力学方法是探索非周期性给体-受体复合物、有机金属配合物、量子点、纳米团簇等复杂体系的光诱导动力学的可靠工具.

凝聚态体系中激发态载流子动力学研究

激发态动力学是凝聚态物理中至关重要且富有挑战的科学问题,不仅需要从时间、空间、能量和动量等多个维度来描述,同时还需要考虑各种准粒子的相互作用以及多体效应.本文聚焦凝聚态体系激发态动力学的理论和应用研究,结合含时密度泛函、GW-BSE与面跳跃方法,发展了激发态动力学第一性原理计算软件Hefei-NAMD,构建了可以同时从时间、空间、动量、能量、自旋等多个维度研究凝聚态体系激发态动力学的理论和程序框架,并实现了自旋分辨的GW+real-time BSE(GW+rtBSE)激子动力学.利用这套方法,研究了凝聚态体系激发态动力学的许多问题,包括界面电荷转移动力学、电子空穴复合动力学以及二维TMD材料的谷激子动力学等.这些研究从第一性原理计算的角度,模拟激发态载流子在实空间、能量空间和动量空间的含时演化,为凝聚态体系的激发态动力学及准粒子耦合过程提供了深刻细致的理解.

CO:LiCl(001)-(1X1)表面电子激发态及其随时演化

采用多体摄动理论研究CO:LiCl(001)-(1X1)表面的激发态性质、CO分子激子态随时演化及其寿命.首先用局域密度近似的密度泛函理论计算CO分子吸附在LiCl(001)-(1X1)表面的几何结构;随后运用GW近似研究LiCl块体、LiCl(001)-(1X1)干净表面以及CO:LiCl(001)-(1X1)表面的准粒子能带结构,引入电子-空穴相互作用,求解二粒子格林函数的Bethe-Salpeter方程(BS方程),并得出其电子-空穴激发态及光学吸收谱,将计算得到的光吸收谱与实验数据进行比较;最后基于吸附系统CO:LiCl(001)-(1X1)的BS方程的解,求解含时薛定谔方程得出的分子激发态的随时演化.因衬底和吸附分子之间的耦合作用,CO分子激子态在随时演化的初始阶段呈现非常快的衰减,其寿命仅为0.75 fs.CO分子激子态的空穴大幅度地向衬底转移,而激子态的电子仍然滞留在CO分子上.