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Linear Scaling of the Exciton Binding Energy versus the Band Gap of Two-Dimensional Materials

激子 磷烯 结合能 缩放比例 带隙 石墨烯 GW近似 比克西顿 材料科学 凝聚态物理 物理 量子力学 纳米技术 准粒子 超导电性 几何学 数学
作者
Jin‐Ho Choi,Ping Cui,Haiping Lan,Zhenyu Zhang
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:115 (6) 被引量:215
标识
DOI:10.1103/physrevlett.115.066403
摘要

The exciton is one of the most crucial physical entities in the performance of optoelectronic and photonic devices, and widely varying exciton binding energies have been reported in different classes of materials. Using first-principles calculations within the GW-Bethe-Salpeter equation approach, here we investigate the excitonic properties of two recently discovered layered materials: phosphorene and graphene fluoride. We first confirm large exciton binding energies of, respectively, 0.85 and 2.03 eV in these systems. Next, by comparing these systems with several other representative two-dimensional materials, we discover a striking linear relationship between the exciton binding energy and the band gap and interpret the existence of the linear scaling law within a simple hydrogenic picture. The broad applicability of this novel scaling law is further demonstrated by using strained graphene fluoride. These findings are expected to stimulate related studies in higher and lower dimensions, potentially resulting in a deeper understanding of excitonic effects in materials of all dimensionalities.
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