Review

Profiling Electronic and Phononic Band Structures of Semiconductors at Finite Temperatures: Methods and Applications

Xie Zhang (张燮), Jun Kang (康俊), and Su-Huai Wei (魏苏淮)

Chin. Phys. Lett. 2024, 41 (2): 026301

DOI: 10.1088/0256-307X/41/2/026301

文章亮点

本文详细总结了有限温度下半导体的电子和声子能带结构计算方法的最新进展，以其在卤族钙钛矿体系中的应用为例，阐明了如何利用这些方法研究温度诱导的半导体电子和声子能带的重整化，并展望了相关领域仍然存在的问题和挑战。

图：室温下CsPbI₃的电子结构。(a)-(d) 第一性原理分子动力学获得的室温下典型原子构型。(e)-(h) 四种构型相应的反折叠能带图。

有限温度下半导体的电子和声子能带结构分析：方法和应用

研究背景

第一性原理方法可对材料的电子和声子性质进行准确的模拟，极大地促进了先进半导体的研发。半导体材料工作于有限温度下，但第一性原理计算所依据的密度泛函理论最初是为基态（即 T = 0 K）设计的，通常的电子和声子能带计算并不包括有限温度的效应。然而，温度对材料性质往往有重要影响 ，即使在室温下，电子和声子能带结构以及由能带结构推导出的各种性质也可能与 T = 0 K 时的能带结构和性质大相径庭。因此，将第一性原理方法推进到有限温度是非常必要的。

内容简介

当前对半导体有限温度电子和声子能带结构的第一性原理计算方法的研究已经取得了显著进展，相关的应用产生了许多新颖的物理见解。在本综述中，作者首先回顾了这些计算方法的进展，包括如何通过分子动力学、特殊位移、微扰法、温度依赖有效势等方法对有限温度下的原子构型空间进行采样，进而计算电子和声子能带结构。接下来以卤族钙钛矿半导体为例，展示了温度如何改变电子和声子能带结构。卤族钙钛矿的软晶格对温度有非常明显的响应，高温下立方相卤族钙钛矿性质的准确模拟要求对温度导致的晶格畸变和分子旋转等效应的精确描述，这些温度效应也导致了许多新颖有趣的物理现象。最后，作者讨论了半导体中有效温度效应计算中存在的问题和挑战，包括强非简谐效应、低温不稳定相的自由能、电声耦合及缺陷性质计算、化学无序体系计算等。

研究意义和重要性

本综述系统介绍了先进的第一性原理方法如何应用于有限温度下半导体的电子和声子能带结构模拟，以及温度诱导的新奇物理现象，并讨论了这一领域的未来研究方向。这些工作对于深入理解半导体中的有效温度效应具有重要意义，有助于先进半导体材料的研究和设计。

中国物理学会旗舰期刊

1

国家自然科学奖一等奖代表性成果一项

2

未来科学大奖代表性成果二项

3

中国科协优秀科技论文5篇

4

高被引原创论文数量在国内同类期刊中名列前茅

研究快讯回顾

前沿综述3前沿综述 · 目录上一篇前沿综述 | Belle II实验上奇特强子态的研究进展和前景阅读原文