使用紧束缚近似绘制多层黑磷能带图
摘要
紧束缚近似下使用二次量子化表示黑磷哈密顿量并利用 python编写代码绘制黑磷能带图。
1.单层及基础原理
2.双层黑磷的能带结构
这里双层是指最常见的AB型堆垛方式的双层,其正面图及俯视图如下图
下层的原子仍然标记为ABCD,上层的原子标记为A'B'C'D'
俯视图中给出了上下层间的跳跃项。其中只考虑上层中的蓝色原子A'B'跳跃到下层中的红色CD。橙色的点为B'原子,记为跳跃起点,蓝色箭头是跳跃到下一层的原子C,短的跳跃参数记为\(t_1^\perp\),长的记为\(t_4^\perp\)。绿色数字是跳跃到下一层的原子D,短的记为\(t_2^\perp\),长的记为\(t_3^\perp\).
给出这两项的表达式
\[ \begin{aligned} t_{B C}^{\prime}(k)=& 2 t_{1}^{\perp} \cos \left[k_{y} a_{1} \sin \left(\alpha_{1} / 2\right)\right] \times \exp \left[i k_{x} a_{2} \cos \beta\right] \\ &+2 t_{4}^{\perp} \cos \left[k_{y} a_{1} \sin \left(\alpha_{1} / 2\right)\right] \times \exp \left\{-i k_{x}\left[2 a_{1} \cos \left(\alpha_{1} / 2\right)+a_{2} \cos \beta\right]\right\} \end{aligned}\tag{1} \]
\[ \begin{aligned} t_{B D}^{\prime}(k)=& 4 t_{3}^{\perp} \cos \left[k_{y} 2 a_{1} \sin \left(\alpha_{1} / 2\right)\right] \times \cos \left\{k_{x}\left[a_{1} \cos \left(\alpha_{1} / 2\right)+a_{2} \cos \beta\right]\right\} \\ &+2 t_{2}^{\perp} \cos \left\{k_{x}\left[a_{1} \cos \left(\alpha_{1} / 2\right)+a_{2} \cos \beta \right] \right\} \end{aligned}\tag{2} \]
以8个原子的电子波函数为基底写出双层黑磷的哈密顿量如下
\[ H_{b i}=\left(\begin{array}{cc} H & H_{c} \\ H_{c}^{\dagger} & H \end{array}\right)\tag{3} \]
其中H是单层黑磷的哈密顿量,
\[ H_{c}=\left(\begin{array}{cc} 0 & 0 \\ H_{2} & 0 \end{array}\right)\tag{4} \]
上式中
\[ H_{2}=\left(\begin{array}{ll} t_{B D}^{\prime}(k) & {t_{B C}^{\prime}}^{*}(k) \\ t_{B C}^{\prime}(k)& t_{B D}^{\prime}(k) \end{array}\right)\tag{5} \]
使用python编写程序,其实只是在上一个程序上稍加修改。
1 | from para import * |
3.N层黑磷的能带结构
因为仅考虑近邻项的跳跃,所以我们可以推广到N层AB型堆垛的黑磷的哈密顿量为:
\[ H_{N}=\left(\begin{array}{ccccc} H & H_{c} & & & \\ H_{c}^{\dagger} & H & H_{c} & & \\ & H_{c}^{\dagger} & H & H_{c} & \\ & & & \ddots & \\ & & & & H_{c} \\ & & & H_{c}^{\dagger} & H \end{array}\right)_{N \times N} \]
代码也差不多,但因为紧束缚的参数是通过DFT计算出能带再拟合出来的,仍使用这些参数可能会使多层的数值偏离实际值。
4.参考资料
[1] 使用紧束缚近似绘制单层黑磷能带图