V2O5 体相与单层的准粒子能带结构与激子光学响应

使用全电子准粒子自洽 (QS) $GW$ 方法计算了 V$_2$O$_5$ 的电子能带结构，其中包括 $W$ 屏蔽中的电子 - 空穴梯形图。用 Bethe-Salpeter 方程计算的光学介电函数显示出具有大结合能的激子，这与光谱椭圆偏振数据及其他近期计算结果一致。发现在垂直于层方向的高能处的尖锐峰是宏观介电函数 BSE 计算中包含的能带数量截断所致的人为假象。$\varepsilon_1(\omega=0)$ 给出的折射率与实验吻合良好。激子为电荷转移激子，空穴主要位于氧上，电子位于钒上，但取决于具体的激子，其在不同氧原子上的分布会有所变化。激子波函数的展宽约为 5-15\AA，电子围绕空穴的分布具有不对称特征，具体取决于空穴固定在哪个氧原子上。一旦移除初始的层间共价耦合，单层准粒子带隙随层间距的增加呈反比增大，这归功于自能的长程性质以及二维系统中屏蔽的减弱。另一方面，由于自能带隙移动和激子结合能之间的补偿（两者均与屏蔽库仑相互作用 $\hat{W}$ 成正比），光学带隙相对独立于层间距。近期通过化学剥离获得的极薄层 V$_2$O$_5$ 的实验结果为带隙的增加提供了实验支持。