PbSe 的多谷三维电子结构：来自软X射线角分辨光电子能谱与第一性原理计算
Multivalley 3D Electronic Structure of PbSe from Soft-X-Ray ARPES and First-Principles Calculations
- Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
- International Research Centre MagTop, Institute of Physics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院物理研究所磁顶国际研究中心）
- National Technical University “KhPI”（哈尔科夫国立理工大学）
- Paul Scherrer Institut（保罗谢尔研究所）
- Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步辐射中心）
- University of Pittsburgh（匹兹堡大学）
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AI总结：
本研究结合软X射线ARPES与第一性原理计算，揭示了PbSe的多谷三维价带结构，验证了HSE和QPGW方法的高精度，并强调准确能带对热电性能预测的关键作用。
AI中文摘要：
PbSe 是一种窄带隙 IV-VI 族半导体，其价带在 L、Σ 和 Δ 点处具有多个极大值（多谷结构），这支撑了其中温热电性能。我们将软X射线角分辨光电子能谱（SX-ARPES）与第一性原理模拟相结合，研究块体 PbSe 的价带结构。在 400-900 eV 的光子能量下进行了高分辨率测量，以绘制沿 XΓX、WXW 和 KΓK 方向的价带流形，并在 k_z=0 平面内收集等能面。与 ARPES 的比较使我们能够严格评估密度泛函理论（DFT）的性能，包括使用半局域和杂化泛函，以及准粒子自洽 GW 近似内的多体微扰理论。我们发现 Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE）杂化泛函和 QPGW 在整个价带范围内将测量的带色散再现到 0.1-0.2 eV 以内。相比之下，半局域的 Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函压缩了带宽，与实验偏差高达 0.6 eV。我们进一步表明，准确的能带结构和带隙对于正确描述 p 型 PbSe 的 Seebeck 系数对空穴浓度的依赖关系（Pisarenko 关系）至关重要。这对热电材料的计算发现工作具有重要意义。
英文摘要：
PbSe is a narrow-gap IV-VI semiconductor, whose multivalley valence bands, with maxima at the L, $Σ$, and $Δ$ points, underpin its intermediate-temperature thermoelectric properties. We combine soft-X-ray angle-resolved photoemission spectroscopy (SX-ARPES) with first principles simulations to study the valence band structure of bulk PbSe. High resolution measurements are conducted at photon energies of 400-900 eV to map the valence manifold along X$Γ$X, WXW, and K$Γ$K, and iso-energy surfaces are collected in the $k_z=0$ plane. Comparison to ARPES enables a rigorous assessment of the performance of density functional theory (DFT), using semi-local and hybrid functionals, as well as many-body perturbation theory within the quasiparticle self-consistent $GW$ approximation. We find that the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) hybrid functional and QP$GW$ reproduce the measured band dispersions to within 0.1-0.2 eV over the entire valence band. In contrast, the semi-local Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functional compresses the band width and deviates from experiment by up to 0.6 eV. We further show that an accurate band structure and band gap are vital to obtaining a correct description of the dependence of the Seebeck coefficient of p-type PbSe on the hole concentration (Pisarenko relation). This has implications for computational efforts to discover thermoelectric materials.
