Cálculo de funções de Wannier eletrônicas para aplicações em ciência dos materiais

Abstract

São calculadas e analisadas as funções de Wannier de localização máxima para elétrons em cristais unidimensionais. Essas funções formam uma base apropriada para descrever estados eletrônicos em materiais sólidos. Para cristais com simetria de inversão é utilizado o método desenvolvido por Bruno-Alfonso e Hai [J. Phys: Condensed Matter 15, 6701 (2003)]. Cada banda de energia é classificada segundo a simetria das funções de Bloch nos pontos 'gama' e 'qui' da zona de Brillouin. Para cada classe de banda a fase das funções de Bloch é escolhida para que as funções de Wannier tenham localização máxima. A simetria da últimas é determinda pelo tipo de banda. São apresentados resultados analíticos e numéricos para o modelo de Kronig-Penney obtidos através da técnica da matriz de transferência e do método tight binding. Posteriormente, apresenta-se um novo procedimento para calcular funções de Wannier de localização máxima em cristais sem simetria de inversão. Para isso são utilizadas técnicas do Cálculo Variacional. A teoria é aplicada para obter e analisar funções de Wannier de elétrons de condução em duas superredes de materiais semicondutores. Uma dessas estruturas tem simetria de inversão e a outra, não. O comportamento assintótico das funções de Wannier é predito analiticamente e verificado através dos cálculos numéricos. As funções de Wannier de localização máxima mostram um decaimento exponencial multiplicado por um decaimento em lei de potência, ambos isotrópicos. O mesmo acontece com parte das funções que não tem localização máxima. Porém, há outras que que apresentam decaimento exponecial reduzido e anisotropia em seu decaimento em lei de potência. Esses resultados novos são explicados levando em conta pontos de ramificação da continuação analítica das funções de Bloch sobre o plano de vetor de onda complexo.

The maximally localized Wannier functions of electrons in one-dimensional crystals are calculated and analyzed. Those functions form a suitable basis to describe localized states in solid materials. For crystals with inversion symmetry we use the procedure of Bruno-Alfonso and Hai [J. Phys: Condensed Matter 15, 6701 (2003)]. Each energy band is classified according to the symmetry of the Bloch functions at the points 'gama' e 'qui' of the Brillouin zone. For each band class, the phase of the Bloch functions in chosen to give the maximally localized Wannier functions. The symmmetry of those functions depends on the band class. Analytical and numerical results are presented for the Kronig-Penney model. Those result are obtained through the tight-binding method or a transfer-matrix technique. A new procedure to calculate the maximally localized Wannier functions in crystals without inversion symmetry is established. This involves techniques of the Variational Calculus. The theory is applied to obtain the Wannier functions of conduction electrons in superlattices of semiconductor materials. One of the superlattices presents inversion symmetry, but the other does not. The asymptotic behavior of the Wannier functions is predicted analytically and verified through numerical calculations. The maximally localized Wannier functions display an isotropic exponetial decal times an isotropic power-law decay. The same applies to a class of non-optimal Wannier functions. However, there is another class of non-optimal Wannier functions with reduced exponential decay and anisotropic power-law decay. Such new results are explained by taking into account branch points in the analytical continuation of the Bloch functions into the plane of complex wave vector.