Study of the electronic structure of bidimensional materials with the GW approximation and Bethe-Salpeter equation

Abstract

In this work the electronic and optical properties of bidimensional materials h-BN and phosphoerene have been studied. It is well known that DFT often fails to predict properties like electronic band-structures and absorption spectra. To correct those predictions, theories that use electron-electron and electron-hole interactions are needed. The GW approximation formalism, which includes electron-electron interactions, is used to compute the electronic band-structures of the h-BN and phosphorene. With the electronic band-structures computed we can measure quantities like the band gap value. The BSE formalism, which includes electron-hole interactions, is used to compute the absorption spectra. This allows us to measure the optical gap and the excitonic binding energy. Only a few theoretical works that use many-body theories like GW approximation and BSE have been done in these materials. Their results are not consistent enough to give a clear understanding of the electronic and optical properties of these two materials. This work aims at clarifying the issue.

Neste trabalho as propriedades electrónicas e ópticas dos materiais bidimensionais h-BN e fosforeno foram estudadas. É sabido que a DFT falha na maior parte das vezes a previsão de propriedades como a estrutura de bandas electrónicas e o espectro de absorção. Para corrigir tais previsões, teorias que incluem interacções electrão-electrão e electrão-lacuna são necessárias. O formalismo da aproximação GW, que inclui interacções electrão-electrão, é usado para calcular as estruturas de bandas electrónicas. Desta forma podemos medir o hiato de banda destes materiais. O formalismo BSE, que inclui interacções electrão-lacuna, é usado para calcular o espectro de absorção. Com este espectro podemos medir o valor do hiato óptico e também a energia de ligação do excitão. Poucos trabalhos que utilizam teorias com efeitos de muitos corpos como a aproximação GW e a BSE foram feitos para estes dois materiais. Dessa forma há uma falta de dados para termos um conhecimento claro das suas propriedades electrónicas e ópticas. Este trabalho tem como objectivo fornecer tal conhecimento.