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Submitted on 1 Jan 1981
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Structure électronique auto-cohérente d’une surface traitée en liaisons fortes
H. Dreysse, R. Riedinger
To cite this version:
H. Dreysse, R. Riedinger. Structure électronique auto-cohérente d’une surface traitée en liaisons fortes.
Journal de Physique, 1981, 42 (3), pp.437-444. �10.1051/jphys:01981004203043700�. �jpa-00209028�
Structure électronique auto-cohérente d’une surface traitée en liaisons fortes
H. Dreysse et R. Riedinger
Equipe de Physique des Surfaces, ISEA, 4, rue des Frères-Lumière, 68093 Mulhouse Cedex, France (Reçu le 28 juillet 1980, accepté le 6 novembre 1980)
Résumé.
2014Nous développons la structure de bandes auto-cohérente d’un cristal semi-infini dans l’approximation
des liaisons fortes. Nous discutons notamment les états propres du milieu semi-infini, et déterminons le profil des densités électroniques par la méthode des fonctions de Green. Nous appliquons le modèle au calcul du profil de
densité électronique d’un cristal cubique simple (100), dans le cas non dégénéré.
Nous discutons notamment du rôle dominant du potentiel dipolaire. Les variations de charge des électrons en
liaisons fortes donnent une contribution très faible à la couche dipolaire de surface.
Abstract.
2014We develop the self-consistent band structure of a semi-infinite crystal in the tight-binding approxi-
mation. We discuss especially the eigenstates of the semi-infinite medium and we determine the electronic density distribution with a Green’s function method. We apply the model to the computation of the electronic density
distribution of simple cubic crystal with (100) surface, in the non-degenerate case. We discuss especially the domi-
nant role of the dipolar potential. The variations of self-consistent électron charges in T.B. give only a very small contribution to the surface dipolar layer.
Classification
Physics Abstracts
71.25P - 73.20
1. Introduction.
-Lang et Kohn [1] ont résolu le problème de la densité électronique du « jellium »
de manière auto-cohérente. Le problème corres-
pondant en liaisons fortes n’est que partiellement
résolu : le potentiel dipolaire n’a jamais été pris en compte, et le seul modèle existant tenant compte de la neutralité globale est celui d’Allan [2], où le niveau
d’énergie du premier plan est ajusté de manière à réaliser cette neutralité.
Dans ce travail nous développons un modèle
pour la structure électronique d’un cristal semi-infini
en liaisons fortes, où les charges sur les plans atomiques parallèles à la surface, sont calculées de manière auto-cohérente, et contraintes de vérifier la neutralité
globale (règle de Friedel [3]).
Dans une première partie, nous discutons les états propres du système (de surface notamment). Du fait
de la périodicité de translation parallèlement à la surface, le vecteur d’onde bidimensionnel ka, est un
bon nombre quantique. L’équation de Schrôdinger
se ramène à un système d’équations aux différences.
Dans une deuxième partie nous discutons de la fonction de Green associée au milieu semi-infini, qui peut être obtenue soit à partir de la connaissance des états propres, soit à partir d’une équation de Dyson.
Dans la pratique nous obtenons le milieu semi-infini relaxé électroniquement par le recollement exact d’un film et d’un milieu semi-infini non relaxé.
Dans une troisième partie, nous appliquons ce
modèle à une bande s dans un cristal semi-infini
cubique simple de surface (100).
2. Etats propres d’un milieu semi-infini en liaisons fortes.
-Dans l’approximation des liaisons fortes, la fonction d’onde à un électron est une combinaison linéaire d’orbitales atomiques centrées sur les sites
|Â>
m dénote la symétrie des orbitales atomiques.
On négligera pour simplifier le recouvrement des fonctions d centrées sur des sites différents.
Au potentiel du réseau massif tronqué, s’ajoute,
du fait des transferts de charge causés par la surface
-
une contribution de Coulomb et d’échange intraatomique,
-
le potentiel dipolaire, généré par les contribu- tions coulombiennes intersites.
Les coefficients CjJ’ vérifient l’équation de Schrô- dinger (E - H) |03C8|> = 0 d’où :
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01981004203043700
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où E est l’énergie propre,
a03BBm l’intégrale de dérive,
03B2mm’03BB03BB’ l’intégrale de résonance ( m03BB 1 H 1 m’ À’ >, eT représente le niveau atomique sur l’atome
dans l’approximation Hartree-Fock :
U et J sont respectivement les intégrales de Coulomb
et d’échanges intraatomiques, Vd(03BB) l’élément de matrice du potentiel dipolaire sur le site ;. (appenT
dice A), Q le spin de l’électron ; Q = 2013 03C3. Dans la
suite, nous nous limitons au cas paramagnétique.
Les sommations sur les sites Ïv, 1" sont limitées
au milieu semi-infini (Â3 > 0).
Du fait de la périodicité suivant les plans parallèles
à la surface, eT et ex! ne dépendent en fait que du plan atomique (À3). Par transformation de Fourier bidiT mensionnelle, l’on obtient :
où
Ce système peut être écrit sous forme modifiée, dans
le cas où a3 n’est pas perpendiculaire à la surface :
soit T la composante de a3 parallèle à la surface ; ; alors :
et
Sous cette forme le système est écrit dans la repréT
sentation de Brown [4]. On a utilisé n à la place de À3
pour désigner les plans et distinguer les deux repré-
sentations.
En supposant que les intégrales de résonance sont de portée finie, on obtient un système matriciel d’équa-
tions aux différences. Pour simplifier, nous nous
limiterons à des intégrales de recouvrement limitées
aux premiers voisins.
Le système obtenu est, pour k |l fixé, un bloc tridia-
gonal ; il est identique’à une chaîne unidimensionnelle
et peut être résolu par les méthodes développées dans
ce cas [5] :
Oll An et Bn,n ± 1 sont des matrices de rang M, le nombre d’orbitales m, Cn un vecteur colonne de dimension M.
Nous pouvons définir les matrices de transfert 1;.
et Tn de rang 2 M par :
Dans le cas de la surface, les conditions aux limites
sur les coefficients sont les suivantes :
La résolution de ce système et l’obtention des états de volume et de surface s’effectuent de manière sui- vante :
Dans le milieu massif, An et Bn,n± 1 tendent vers une
limite Aoo, Boo notées simplement A et B. On pourra
admettre cette propriété pour n > (N - 1).
On notera également T et son inverse f admettant
le même système de valeurs propres, car elles ont des
équations caractéristiques équivalentes; donc les
valeurs propres de T sont constituées de couples, ou quaternes de valeurs propres inverses et conjuguées.
Cette propriété est caractéristique d’une matrice
symplectique [6]. Plus précisément, on classe les valeur, propres :
en quaternes :
en couples situés sur l’axe réel :
en couples sur le cercle unité :
Les 4 points d’un quaterne (ou les deux points d’un couple) ont même multiplicité. On a la relation :
Il existe donc une transformation unitaire U
diagonalisant T. Soit D = U -1 TU :
D se mettant sous la forme :
Avec :
Cn devant être borné à l’intérieur du cristal, XN + 1
s’écrit dans la base des vecteurs propres de T sous
la forme
,L’autre condition aux limites (Cn = 0, n = 0) est prise en compte en écrivant que X 1 s’écrit :
ce qui permet de déterminer tous les états propres du système et la structure de bandes.
3. Fonction de Green d’un milieu semi-infini en
liaisons fortes.
-Les éléments de la fonction de Green associée à l’hamiltonien satisfont le système d’équa-
tions aux différences similaires à celui des coefficients
de la fonction d’onde au second membre près :
où G¡iE, kjj) est une matrice carrée d’ordre M.
Cette équation peut être résolue de différentes manières :
a) Par la représentation spectrale à partir des
solutions C(") de l’équation homogène (5), corres- pondant à la valeur propre Ecx.
G est donné par :
b) Par la méthode de traitement standard des fonctions de Green [5].
c) Par l’équation de Dyson, en multipliant (11)
par An- 1
On constate que G vérifie l’équation de Dyson :
où G ° est la fonction de Green d’une infinité de plans découplés,
B la matrice qui rétablit les liaisons électroniques
entre les plans.
440
L’équation (13) est une équation de Dyson, qu’on peut résoudre d’une infinité de manières : en effet
quelle que soit la décomposition de l’hamiltonien H
sous la forme H = Ho. + Hi, à partir de la connais-
sance de la fonction de Green G ° associée à H° et la
résolution de (13), on obtient G. Ainsi peut-on cons- truire notamment les fonctions de Green associées
respectivement à un film, à un milieu semi-infini ou au
milieu infini, en recollant les plans grâce aux liaisons B.
Les études courantes de milieu semi-infini se conten- tent de considérer soit un film borné, soit un film
,