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Long-range quadrupole electron-phonon interaction from first principles
Physical Review B ( IF 3.2 ) Pub Date : 2020-09-21 , DOI: 10.1103/physrevb.102.125203 Jinsoo Park , Jin-Jian Zhou , Vatsal A. Jhalani , Cyrus E. Dreyer , Marco Bernardi
Physical Review B ( IF 3.2 ) Pub Date : 2020-09-21 , DOI: 10.1103/physrevb.102.125203 Jinsoo Park , Jin-Jian Zhou , Vatsal A. Jhalani , Cyrus E. Dreyer , Marco Bernardi
Lattice vibrations in materials induce perturbations on the electron dynamics in the form of long-range (dipole and quadrupole) and short-range (octopole and higher) potentials. The dipole Fröhlich term can be included in current first-principles electron-phonon (e-ph) calculations and is present only in polar materials. The quadrupole e-ph interaction is present in both polar and nonpolar materials, but currently it cannot be computed from first principles. Here we show an approach to compute the quadrupole e-ph interaction and include it in ab initio calculations of e-ph matrix elements. The accuracy of the approach is demonstrated by comparing with direct density functional perturbation theory calculations. We apply our method to silicon as a case of a nonpolar semiconductor and tetragonal as a case of a polar piezoelectric material. In both materials we find that the quadrupole term strongly impacts the e-ph matrix elements. Analysis of e-ph interactions for different phonon modes reveals that the quadrupole term mainly affects optical modes in silicon and acoustic modes in , although the quadrupole term is needed for all modes to achieve quantitative accuracy. The effect of the quadrupole e-ph interaction on electron scattering processes and transport is shown to be important. Our approach enables accurate studies of e-ph interactions in broad classes of nonpolar, polar, and piezoelectric materials.
中文翻译:
第一性原理的远程四极电子声子相互作用
材料中的晶格振动会以长距离(偶极和四极)和短距离(八极及更高)电势的形式对电子动力学产生扰动。偶极Fröhlich项可以包含在当前的第一性原理电子声子(e-ph)计算中,并且仅存在于极性材料中。极性和非极性材料中都存在四极e-ph相互作用,但是目前无法根据第一原理进行计算。在这里,我们展示了一种计算四极e-ph相互作用的方法,并将其包括在e-ph矩阵元素的从头算中。通过与直接密度泛函摄动理论计算进行比较,证明了该方法的准确性。我们将我们的方法应用于硅作为非极性半导体和四方晶的情况作为极性压电材料的情况。在这两种材料中,我们都发现四极子项强烈影响e-ph矩阵元素。分析不同声子模式的e-ph相互作用表明,四极子项主要影响硅中的光学模式和硅中的声学模式。,尽管所有模式都需要四极子项才能达到定量精度。已证明四极子e-ph相互作用对电子散射过程和传输的影响很重要。我们的方法可以在广泛的非极性,极性和压电材料中精确研究e-ph相互作用。
更新日期:2020-09-21
中文翻译:
第一性原理的远程四极电子声子相互作用
材料中的晶格振动会以长距离(偶极和四极)和短距离(八极及更高)电势的形式对电子动力学产生扰动。偶极Fröhlich项可以包含在当前的第一性原理电子声子(e-ph)计算中,并且仅存在于极性材料中。极性和非极性材料中都存在四极e-ph相互作用,但是目前无法根据第一原理进行计算。在这里,我们展示了一种计算四极e-ph相互作用的方法,并将其包括在e-ph矩阵元素的从头算中。通过与直接密度泛函摄动理论计算进行比较,证明了该方法的准确性。我们将我们的方法应用于硅作为非极性半导体和四方晶的情况作为极性压电材料的情况。在这两种材料中,我们都发现四极子项强烈影响e-ph矩阵元素。分析不同声子模式的e-ph相互作用表明,四极子项主要影响硅中的光学模式和硅中的声学模式。,尽管所有模式都需要四极子项才能达到定量精度。已证明四极子e-ph相互作用对电子散射过程和传输的影响很重要。我们的方法可以在广泛的非极性,极性和压电材料中精确研究e-ph相互作用。