Shift current response in elemental two-dimensional ferroelectrics

磷烯 电流(流体) 反常光电效应 凝聚态物理 点反射 密度泛函理论 带隙 电流密度 材料科学 物理 光电效应 光伏系统 量子力学 电气工程 工程类 热力学
作者
Zhuang Qian,Jian Zhou,Hua Wang,Shi Liu
出处
期刊:npj computational materials [Springer Nature]
卷期号:9 (1) 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s41524-023-01026-3
摘要

Abstract A bulk material without inversion symmetry can generate a direct current under illumination. This interface-free current generation mechanism, referred to as the bulk photovoltaic effect (BPVE), does not rely on p - n junctions. Here, we explore the shift current generation, a major mechanism responsible for the BPVE, in single-element two-dimensional (2D) ferroelectrics represented by phosphorene-like monolayers of As, Sb, and Bi. The strong covalency, small band gap, and large joint density of states afforded by these elemental 2D materials give rise to large shift currents, outperforming many state-of-the-art materials. We find that the shift current, due to its topological nature, depends sensitively on the details of the Bloch wave functions. It is crucial to consider the electronic exchange-correlation potential beyond the generalized gradient approximation as well as the spin-orbit interaction in density functional theory calculations to obtain reliable frequency-dependent shift current responses.
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