charge density response of 2d polymorphs : borophene as a prototypical case
réponse de la densité de charge des polymorphes 2d : le borophène comme cas prototypique
Résumé
The aim of this thesis is to elucidate the charge dynamics in 2D materials with complex atomic structures. To this end, borophene was chosen as a prototypical material that exhibits numerous allotropes, such that the influence of the atomic structure on the electronic properties can be investigated directly. Among the multiple allotropes I identified eight structures of theoretical and experimental relevance and computed their electronic band structure. I then used the shared characteristics of the electronic structure of the different polymorphs to relate them to a common parent structure, and I built a theoretical model based on a confined three-dimensional homogeneous electron gas. This model explain several findings for the electronic structure of the different polymorphs studied in this work.The electronic structure of the different polymorphs showed common features among different allotropes, but it also showed differences in the form of weakly-dispersive bands. These flat bands show up as a signature of the specific atomic structure. We refer to them as defect-like states that appear from the creation of point defects in a common borophene atomic structure. Moreover, I investigated the effect of buckling on the electronic structure and showed that we can use this parameter to tune electronic properties of the material such that semimetallicity and eventually even superconductivity might be impacted.The study of the electronic structure also showed the potential of this class of materials to be used as a transparent conductor. I described the mechanism for which certain electronic transitions do not appear in the absorption spectra by symmetry: the position of the Fermi energy in the band structure is an important parameter to determine the optical properties of borophene, and the relative positions of p-states in-plane and out-of-plane plays also an important role around the Fermi level. I therefore described nesting of the Fermi surface based on the information of the electronic transitions. The study of the nesting of the Fermi surface was complemented with the computation of the static linear response, which allowed me to we unravel the nature of two Kohn anomalies appearing in borophene $delta_6$.The calculation of the response functions is computationally very expensive. I addressed this problem by developing an approximated method that allows us to write the static response as an explicit functional of the density matrix. This is of both fundamental and practical interest since it is one of the few examples of explicit density matrix functionals for observables, and since it leads to an order of magnitude gain in computer time.
L'objectif de cette thèse est d'élucider la dynamique de charge dans les matériaux bidimensionnels présentant des structures atomiques complexes. À cette fin, le borophène a été choisi comme matériau prototypique présentant de nombreux allotropes, permettant ainsi d'étudier directement l'influence de la structure atomique sur les propriétés électroniques. Parmi les multiples allotropes, j'ai identifié huit structures d'importance théorique et expérimentale, et j'ai calculé leur structure de bande électronique. Ensuite, j'ai utilisé les caractéristiques communes de la structure électronique des différents polymorphes pour les relier à une structure parente commune, et j'ai construit un modèle théorique basé sur un gaz d'électrons tridimensionnel confiné et homogène. Ce modèle explique plusieurs résultats pour la structure électronique des différents polymorphes étudiés dans ce travail.La structure électronique des différents polymorphes a montré des caractéristiques communes entre différents allotropes, mais elle a également révélé des différences sous la forme de bandes faiblement dispersives. Ces bandes plates se manifestent comme une signature de la structure atomique spécifique. Nous les appelons des états de type défaut, car ils apparaissent suite à la création de défauts ponctuels dans une structure atomique parfaite . De plus, j'ai étudié l'effet d’un bombement de la structure atomique sur la structure électronique, et j’ai montré que nous pouvons utiliser ce paramètre pour ajuster les propriétés électroniques du matériau, influençant potentiellement la semi-métallicité et même la supraconductivité.L'étude de la structure électronique a également révélé le potentiel de cette classe de matériaux à être utilisée comme conducteur transparent. J'ai décrit le mécanisme selon lequel certaines transitions électroniques n'apparaissent pas dans les spectres d'absorption en raison de la symétrie : la position de l'énergie de Fermi dans la structure de bande est un paramètre important pour déterminer les propriétés optiques du borophène, et les positions relatives des états p dans le plan et hors du plan jouent également un rôle important autour du niveau de Fermi. J'ai donc décrit le repliement de la surface de Fermi en me basant sur les informations des transitions électroniques. L'étude du repliement de la surface de Fermi a été complétée par le calcul de la réponse linéaire statique, ce qui m'a permis de dévoiler la nature de deux anomalies de Kohn apparaissant dans le borophène $delta_6$.L’évaluation des fonctions de réponse est très coûteux en termes de temps de calcul. J'ai abordé ce problème en développant une méthode approximative qui nous permet d'exprimer la réponse statique en tant que fonctionnelle explicite de la matrice de densité. Cela présente un intérêt à la fois fondamental et pratique, car c'est l'un des rares exemples d’une fonctionnelles explicite de la densité pour une observable, et cela conduit à un gain en temps de calcul d'un ordre de grandeur.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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