全自洽GW近似方法的发展与应用

The GW method based on many-body perturbation theory can accurately predict the excited properties of materials such as quasiparticle energy, band structure and liftetime of quasiparticle states. In previous work, we developed a fully self-consistent GW method for periodic material. This project is devoted to the development and optimization of this method and we will apply the GW method to the material system with significance of basic research and application purpose, including: We will study the effects of non-self-consistent, partial self-consistent and fully self-consistent GW method on the quasiparticle energy; We will also study the effects of approximations like conduction band truncation and diagonal approximation on the accuracy and efficiency of quasiparticle energy; Based on the numerical research (optimization of Fourier transform algorithm and fast calculation of dielectric function matrix), we will further optimize our algorithm to improve the efficiency of GW calculation; We will systematically investigate the excitation properties of 2D materials, predict their optelectronic properties and cooperate with experimental group. The implementation of the project will provide a solid basis for the fabrication and application of materials in the field of nanoelectronics.

基于多体微扰理论的GW方法可以精确计算材料的准粒子能量、能带结构和准粒子寿命等激发态性质。在前期工作中，我们针对周期性体材料开发了一套全自洽的GW方法。本项目致力于发展和优化该方法，并将其应用于具有基础研究意义和使用价值的热点材料体系。主要研究内容包括：研究和阐述非自洽、部分自洽、全自洽GW近似等自洽方式对准粒子能量的影响；研究导带截断、对角化近似等近似手段对准粒子能量的计算精度和效率的影响，寻找最优近似；优化傅立叶变换算法以及发展介电函数矩阵的快速计算方法，对GW程序进行系统优化，发展高效的全自洽GW近似方法和计算程序；系统研究二维材料激发态的电子结构和性质，预测其光电特性，并积极开展与实验研究的合作。本项目的顺利实施将为纳米电子学领域中材料的制备与光电器件应用提供坚实的物理基础。

GW方法可以准确的计算准粒子能量、能带结构和准粒子寿命等激发态性质，具有十分重要的研究价值。本项目在已有全自洽GW方法研究的基础上，围绕全自洽GW方法的近似优化和自洽评估开展研究，建立并丰富GW近似方法的理论计算模型，并将其应用于具有基础研究意义和使用价值的热点材料体系。研究内容包括：1.从数值计算的角度研究自洽方式、对角化近似和导带截断近似等对准粒子能量的影响；2.优化GW近似中傅立叶变换算法和介电函数矩阵的快速计算方法，改善并行结构，在此基础上提出一套高效的全自洽GW近似方法；3.系统研究二维材料的激发态性质，预测新型二维材料的光电特性，并积极开展与实验研究的合作。研究重要成果包括：1.在自洽评估方面，非自洽GW方法对初始的哈密顿量有很强的依赖性，而全自洽GW近似方法的准粒子能量不受初始输入的本征能量和本征波函数的影响；2.在导带截断近似评估方面，大部分GW方法都对未占据态进行了截断(往往只有几百条)，由此产生不完全收敛的计算结果，全自洽GW方法采用了完整的矩阵来表示，针对未占据态没有任何的截断，具有很好的收敛性；3.基于GW方法，系统地研究了二维IV族碲化物(SiTe,GeTe,SnTe,PbTe)的准粒子电子和光学性质。计算结果表明，除了直接带隙为1.742eV的单层PbTe外，所有IV族碲化物都是间接带隙半导体，而它们都具有突出的载流子输运能力。本项目的研究对二维材料激发态性质的调控，改善二维材料的光电特性等有很大的帮助。