Surface Doping and Dual Nature of the Band Gap in Excitonic Insulator Ta2NiSe5

带隙 激子 半导体 凝聚态物理 兴奋剂 材料科学 密度泛函理论 电子结构 直接和间接带隙 电子能带结构 电子 化学 光电子学 物理 计算化学 量子力学
作者
Siwon Lee,Kyung‐Hwan Jin,Hyunjin Jung,Keisuke Fukutani,Jinwon Lee,Chang Il Kwon,Jun Sung Kim,Jaeyoung Kim,Han Woong Yeom
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (36): 24784-24791
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02784
摘要

Excitons in semiconductors and molecules are widely utilized in photovoltaics and optoelectronics, and high-temperature coherent quantum states of excitons can be realized in artificial electron–hole bilayers and an exotic material of an excitonic insulator (EI). Here, we investigate the band gap evolution of a putative high-temperature EI Ta2NiSe5 upon surface doing by alkali adsorbates with angle-resolved photoemission and density functional theory (DFT) calculations. The conduction band of Ta2NiSe5 is filled by the charge transfer from alkali adsorbates, and the band gap decreases drastically upon the increase of metallic electron density. Our DFT calculation, however, reveals that there exist both structural and excitonic contributions to the band gap tuned. While electron doping reduces the band gap substantially, it alone is not enough to close the band gap. In contrast, the structural distortion induced by the alkali adsorbate plays a critical role in the gap closure. This work indicates a combined electronic and structural nature for the EI phase of the present system and the complexity of surface doping beyond charge transfer.
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