VLIYaNIE KULONOVSKOGO VZAIMODEYSTVIYa NA MEZhZONNYY FOTOGAL'VANIChESKIY EFFEKT V POLUPROVODNIKAKh

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В рамках одной модели зонной структуры нецентросимметричного полупроводника рассчитаны баллистический и сдвиговый вклады в межзонный линейный фотогальванический эффект. В расчете использован двухзонный обобщенный дираковский эффективный гамильтониан с недиагональными компонентами, содержащими слагаемые первого и второго порядков по волновому вектору. Развитая теория учитывает кулоновское взаимодействие между фотовозбужденными электроном и дыркой. Показано, что в типичных полупроводниках баллистический фототок j(bal) существенно превышает сдвиговый ток j(sh): отношение j(sh)/j(bal) имеет порядок aB/ℓ, где aB — боровский радиус, ℓ — длина свободного пробега фотоносителей, обусловленная их рассеянием по квазиимпульсу.

About the authors

G. V. Budkin

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Email: budkin@mail.ioffe.ru
Санкт-Петербург, Россия

E. L. Ivchenko

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Email: ivchenko@coherent.ioffe.ru
Санкт-Петербург, Россия

References

  1. В. И. Белиничер, Б. И. Стурман, Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии, УФН 130, 415 (1980).
  2. V. L. Alperovich, V. I. Belinicher, V. N. Novikov, and A. S. Terekhov, Photogalvanic Effects Investigation in Gallium Arsenide, Ferroelectrics 45, 1 (1982).
  3. В. Л. Альперович, В. И. Белиничер, А. О. Минаев, С. П. Мощенко, А. С. Терехов, Баллистический фотогальванический эффект на межзонных переходах в арсениде галлия, ФТТ 30, 3111 (1988).
  4. В. И. Белиничер, Е. Л. Ивченко, Б. И. Стурман, ЖЭТФ 83, 649 (1982).
  5. Б. И. Стурман, В. М. Фридкин, Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления, Наука, Москва (1992) @@B. I. Sturman and V. M. Fridkin, The Photovoltaic and Photorefractive Effects in Noncentrosymmetric Materials, Gordon and Breach Science Publishers (1992).
  6. E. L. Ivchenko, Optical Spectroscopy of Semiconductor Nanostructures, Alpha Science International, Harrow, UK (2005).
  7. Б. И. Стурман, Баллистический и сдвиговый токи в теории фотогальванического эффекта, УФН 190, 441 (2020).
  8. Z. Dai and A. M. Rappe, First-Principles Calculation of Ballistic Current from Electron–hole Interaction, Phys. Rev. B 104, 235203 (2021).
  9. Zhenbang Dai and A. M. Rappe, Recent Progress in the Theory of Bulk Photovoltaic Effect, Chem. Phys. Rev. 4, 011303 (2023).
  10. Fenggong Wang and A. M. Rappe, First-Principles Calculation of the Bulk Photovoltaic Effect in KNbO3 and (K,Ba)(Ni,Nb)O3−δ, Phys. Rev. B 91, 165124 (2015).
  11. L. Z. Tan, F. Zheng, S. M. Young, F. Wang, S. Liu, and A. M. Rappe, Shift Current Bulk Photovoltaic Effect in Polar Materials — Hybrid and Oxide Perovskites and Beyond, npj Computational Materials 2, 16026 (2016).
  12. A. M. Cook, B. M Fregoso, F. De Juan, S. Coh, and J. E. Moore, Design Principles for Shift Current Photovoltaics, Nat. Commun. 8, 14176 (2017).
  13. B. M. Fregoso, T. Morimoto, and J. E. Moore, Quantitative Relationship Between Polarization Differences and the Zone-Averaged Shift Photocurrent, Phys. Rev. B 96, 075421 (2017).
  14. Chong Wang, Xiaoyu Liu, Lei Kang, Bing-Lin Gu, Yong Xu, and Wenhui Duan, First-Principles Calculation of Nonlinear Optical Responses by Wannier Interpolation, Phys. Rev. B 96, 115147 (2017).
  15. J. Iba nez-Azpiroz, S. S. Tsirkin, and I. Souza, Ab initio Calculation of the Shift Photocurrent by Wannier Interpolation, Phys. Rev. B 97, 245143 (2018).
  16. Bumseop Kim, Jeongwoo Kim, and Noejung Park, First-Principles Identification of the Charge-Shifting Mechanism and Ferroelectricity in Hybrid Halide Perovskites, Sci. Rep. 10, 19635 (2020).
  17. Ruixiang Fei, Liang Z. Tan, and A. M. Rappe, Shift-Current Bulk Photovoltaic Effect Influenced by Quasiparticle and Exciton, Phys. Rev. B 101, 045104 (2020).
  18. T. Barik and J. D. Sau, Nonequilibrium Nature of Nonlinear Optical Response: Application to the Bulk Photovoltaic Effect, Phys. Rev. B 101, 045201 (2020).
  19. Yang-Hao Chan, D. Y. Qiu, F. H. da Jornada, and S. G. Louie, Giant Exciton-Enhanced Shift Currents and Direct Current Conduction With Subbandgap Photo Excitations Produced by Many-Electron Interactions, PNAS 118, e1906938118 (2021).
  20. A. M. Schankler, Lingyuan Gao, and A. M. Rappe, Large Bulk Piezophotovoltaic Effect of Monolayer 2hMoS2, J. Phys. Chem. Lett. 12, 1244 ( 2021).
  21. N. T. Kanera, Yadong Weib, Ali Razad, Jianqun Yangb, Xingji Lib, Weiqi Lia, YongYuan Jianga, and Wei Quan Tian, First Principles Calculations of Charge Shift Photocurrent in vdWs Slide Double Layered 2D h-BN and β-GeS Homostructures, J. Phys. Chem. Solids 169, 110887 (2022).
  22. J. Krishna, P. Garcia-Goiricelaya, F. de Juan, and J. Iba nez-Azpiroz, Understanding the Large Shift Photocurrent of WS2 Nanotubes: A Comparative Analysis With Monolayers, Phys. Rev. B 108, 165418 (2023).
  23. Chen Hu , Mit H. Naik, Yang-Hao Chan, Jiawei Ruan, and S. G. Louie, Light-Induced Shift Current Vortex Crystals in Moir´e Heterobilayers, PNAS 120, e2314775120 (2023).
  24. Penghao Zhu and A. Alexandradinata, Anomalous Shift and Optical Vorticity in the Steady Photovoltaic Current, arXiv:2308.08596v3 [cond-mat.mes-hall] 29 Apr 2024.
  25. В. И. Шелест, М. В. Энтин, Фотогальванический эффект при учете электрон-дырочного взаимодействия, ФТТ 13, 312 (1979).
  26. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Квантовая механика. Нерелятивистская теория, Наука, Москва (1989).
  27. A. G. Aronov and G. E. Pikus, The Anisotropic Electrooptical Effects and the Raman Scattering, Proc. Intern. Conf. Phys. Semicond. (Moscow, USSR, 1968), Publishing House «Nauka», Leningrad, Vol. 1, p. 390.
  28. R. Winkler, Spin-Orbit Coupling Effects in TwoDimensional Electron and Hole Systems, Springer, Berlin, Heidelberg (2003).
  29. P. O. L¨owdin, A Note on the Quantum-Mechanical Perturbation Theory, J. Chem. Phys. 19, 1396 (1951).
  30. W. Gordon, Zur Berechnung Der Matrizen Beim Wasserstoffatom, Ann. Phys. (Leipzig) 2, 1031 (1929).
  31. V. V´eniard and B. Piraux, Continuum-Continuum Dipole Transitions in Femtosecond-Laser-Pulse Excitation of Atomic Hydrogen, Phys. Rev. A 41, 4019 (1990).
  32. Y. Komninos, T. Mercouris, and C.A. Nicolaides, Structure and Calculation of Field-Induced Free-Free Transition Matrix Elements in Many-Electron Atoms, Phys. Rev. A 86, 023420 (2012).
  33. R. J. Elliott, Intensity of Optical Absorption by Excitons, Phys. Rev. 108, 1384 (1957).
  34. E. M. Baskin, M. D. Bloch, M. V. Entin, and L. I. Magarill, Current Quadratic in Field and Photogalvanic Effect in Crystals Without Inversion Centre, Phys. Stat. Sol. (b) 83, K97 (1977).
  35. N. V. Leppenen, E. L. Ivchenko, and L. E. Golub, Sommerfeld Enhancement Factor in TwoDimensional Dirac Materials, Phys. Rev. B 103, 235311 (2021).
  36. Е. Л. Ивченко, Г. Е. Пикус, Р. Я. Расулов, Линейный фотогальванический эффект в полупроводниках A3B5 p-типа. Сдвиговый вклад, ФТТ 26, 3362 (1984).
  37. Ю. Б. Лянда-Геллер, Р. Я. Расулов, Линейный фотогальванический эффект в полупроводниках A3B5 p-типа. 2. Баллистический вклад, ФТТ 27, 945 (1985).
  38. G. V. Budkin and S. A. Tarasenko, Thermal Generation of Shift Electric Current, New J. Phys. 22, 013005 (2020).
  39. J. L. Madajczyk and M. Trippenbach, Singular Part of the Hydrogen Dipole Matrix Element, J. Phys. A: Math. Gen. 22, 2369 (1989).
  40. N. V. Leppenen and L. E. Golub, Linear Photogalvanic Effect in Surface States of Topological Insulators, Phys. Rev. B 107, L161403 (2023).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences