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Electron-phonon interactions using the projector-augmented-wave method
Manuel Engel
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Georg Kresse
DOI
10.25365/thesis.74727
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-28148.28272.760064-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Wir untersuchen die phononeninduzierte Renormalisierung der elektronischen Bandlücke mit Hilfe der PAW-Methode (projector-augmented wave). Im PAW-Formalismus können zwei verschiedene Arten von Elektron-Phonon-Matrixelementen in der niedrigsten Ordnung der Störungstheorie definiert werden. Diese Matrixelemente werden als "all-electron" (AE) oder "pseudo" (PS) kategorisiert, je nachdem, ob die atomaren Ableitungen vor oder nach der PAW-Transformation genommen werden. Die Vor- und Nachteile der beiden Ansätze werden sorgfältig analysiert und gegeneinander abgewogen. Die theoretischen Überlegungen werden durch numerische Berechnungen der Renormalisierung der Bandlücke für zahlreiche Halbleiter und Isolatoren ergänzt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der PS-Ansatz eine schnellere Konvergenz in Bezug auf die Anzahl der unbesetzten Zwischenzustände aufweist. Die benötigten Elektron-Phonon-Matrixelemente werden im Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) mit Hilfe von Interpolationsverfahren berechnet. Konkret basiert eine Implementierung auf einem Fourier-ähnlichen Interpolationsschema, welches sich auf lokalisierte Wannier-Orbitale stützt. Eine alternative, neuere Implementierung verwendet für die Interpolation nur die üblichen Bloch-Orbitale, wodurch die Notwendigkeit eines lokalisierten Basissatzes entfällt. Beide Implementierungen verwenden finite atomare Auslenkungen in einer Superzelle. Unsere Endergebnisse werden mit der aktuellen Literatur verglichen und zeigen eine zufriedenstellende Übereinstimmung.
Abstract
(Englisch)
We study the phonon-induced renormalization of the electronic band gap using the projector-augmented wave (PAW) method. In the PAW formalism, two distinct types of electron-phonon matrix elements can be defined in the lowest order of perturbation theory. These matrix elements are categorized as "all-electron" (AE) or "pseudo" (PS) depending on whether the atomic derivatives are taken before or after the PAW transformation, respectively. The advantages and disadvantages of the two approaches are carefully analyzed and compared against each other. The theoretical considerations are supplemented by numerical calculations of the band-gap renormalization for numerous semiconductors and insulators. Our findings reveal that the PS approach exhibits faster convergence with respect to the number of unoccupied intermediate states. The required electron-phonon matrix elements are computed in the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) using interpolation techniques. Specifically, one implementation is based on a Fourier-like interpolation scheme that relies on localized Wannier orbitals. An alternative, newer implementation uses just the standard Bloch orbitals to achieve interpolation, thus eliminating the need for a localized basis set. Both implementations utilize finite atomic displacements in a supercell. Our final results are compared with recent literature, demonstrating satisfactory agreement.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Ab-initio Simulationen Dichtefunktionalstheory Quasiteilchen Elektron-Phonon-Wechselwirkungen Störungstheorie Wannierfunktionen Bandlückenrenormalisierung
Schlagwörter
(Englisch)
Ab-initio simulations density-functional theory quasiparticles electron-phonon interactions perturbation theory Wannier functions band-gap renormalization
Autor*innen
Manuel Engel
Haupttitel (Englisch)
Electron-phonon interactions using the projector-augmented-wave method
Paralleltitel (Deutsch)
Elektron-Phonon-Wechselwirkungen mithilfe der Projector-Augmented-Wave Methode
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
iv, 141 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Xavier Gonze ,
Georg Madsen
AC Nummer
AC16990760
Utheses ID
67226
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |