Automatizzazione di un'accurata descrizione delle funzioni di risposta nei sistemi a bassa dimensionalità tramite teoria delle perturbazioni dei sistemi a molti corpi

In materials science, the combination of theoretical simulations with high-throughput (HT) techniques is gaining larger attention, as it can speed up the search and discovery of novel materials expressing desired properties. In the last decade, HT methods have been mostly applied to density functional theory (DFT) demonstrating great success. Nevertheless, DFT lacks of predictive accuracy when dealing with excitations and spectroscopies, as for instance in the prediction of quasiparticle properties (ARPES experiments), or absorption and electron energy loss spectra (EELS) where an accurate description of the excitonic effects is needed. In this Thesis we want to combine the power of HT screening with the accuracy of many-body perturbation theory (MBPT) to study the electronic and optical properties of low-dimensional systems. In particular, we adopt the GW approximation to study the electronic band structure and the Bethe-Salpeter equation to compute optical spectra. The first part of the work has been devoted to developing a set of workflows to perform automated convergence studies of the main computational parameters entering in MBPT calculations. Being convergence tests in MBPT of paramount importance to obtain meaningful results, also representing the most human time-consuming part of a GW/BSE calculation, this step has been essential in the effort of joining MBPT with HT schemes. The above mentioned workflow was first validated on well-known systems like hBN or TiO2, and then applied to study excitonic effects in C3N, a recently synthesized 2D system. Monolayer C3N is an emerging 2D indirect gap semiconductor with interesting mechanical, thermal, and electronic properties. In this thesis we have performed a complete description of C3N electronic and dielectric properties, focusing on the momentum-resolved excitonic band structure. As for other 2D materials, we find a linear non-analytic excitonic dispersion close to q=0, which however shows a downward convexity related to the indirect nature of the band gap. Next, these workflows were used to study the accuracy of the Godby-Needs plasmon-pole approximation (GN-PPA) implemented in the Yambo code on the GW100 set, a set of 100 molecules used to benchmark the main MBPT codes by means of G0W0 approximation. For all the molecules we computed converged ionization potential (IP) and electron affinity (EA), and compared the results with the other MBPT codes with available GW100 data. The results of this study allowed us to conclude that the GN-PPA scheme outperforms other commonly used approximations such as the Hybertsen-Louie plasmon pole model, and provides results in a reasonable agreement with more sophisticated implementation of GW as the full-frequency and contour deformation methods. Recently, the EPFL-THEOS (Lausanne, CH) group, led by Prof. Nicola Marzari, performed a HT computational exfoliation of experimentally known 3D compounds, discovering more than 1800 exfoliable layered materials. The final part of this Thesis is dedicated to the investigation of the electronic and optical properties of a subset of these recently discovered 2D systems, in order to possibly identify candidate materials that can realize the long sought excitonic insulator (EI) phase.The EI phase is a correlated phase of matter, proposed more than 50 years ago by L. Keldysh, W. Kohn, in which the ground state of a system, below a critical temperature, is formed by a Bose condensate of excitons. To make prediction on the possibile excitonic instabilities in the ground state, very accurate estimation of the electronic band gap and excitonic binding energies are indispensable and workflows capable of making automatic calculations based on MBPT constitute an extremely effective tool for this research.

Nella scienza dei materiali, la combinazione di simulazioni teoriche con tecniche High-throughput(HT) sta guadagnando maggiore attenzione, in quanto può accelerare la ricerca e la scoperta di nuovi materiali con le proprietà desiderate. Nell'ultimo decennio, i metodi HT sono stati applicati principalmente alla density functional theory (DFT) con grande successo. Tuttavia, la DFT manca di accuratezza quando si tratta di eccitazioni e spettroscopie, come ad esempio nella previsione delle proprietà delle quasiparticelle (esperimenti ARPES) o degli spettri di assorbimento ed electron energy loss(EELS), dove è necessaria una descrizione accurata degli effetti eccitonici. In questa tesi vogliamo combinare la potenza dello screening HT con l'accuratezza della many-body-perturbation-theory (MBPT) per studiare le proprietà elettroniche e ottiche di sistemi a bassa dimensionalità. In particolare, adottiamo l'approssimazione GW per studiare la struttura elettronica delle bande, e l'equazione di Bethe-Salpeter per calcolare gli spettri ottici. La prima parte del lavoro è stata dedicata allo sviluppo di una serie di workflow per eseguire studi di convergenza automatizzati dei principali parametri computazionali che entrano nei calcoli MBPT. Essendo i test di convergenza in MBPT di fondamentale importanza per ottenere risultati significativi, rappresentando anche la parte che richiede più tempo umano nei calcoli GW/BSE, questo passaggio è stato essenziale nello sforzo di unire MBPT con gli schemi HT. I workflow sopra menzionati sono stati prima validati su sistemi ben noti come hBN o TiO2, e poi applicati per studiare gli effetti eccitonici in C3N, un sistema 2D recentemente realizzato. Il C3N è un semiconduttore a gap indiretto 2D emergente con interessanti proprietà meccaniche, termiche ed elettroniche. In questa tesi abbiamo eseguito una descrizione completa delle proprietà elettroniche e dielettriche di C3N, concentrandoci sulla struttura a bande eccitonica. Come per altri materiali 2D, troviamo una dispersione eccitonica lineare non analitica prossima a q=0, che però mostra una convessità verso il basso legata alla natura indiretta del band gap. Successivamente, questi workflow sono stati utilizzati per studiare l'accuratezza della Godby-Needs plasmon-pole approximation (GN-PPA) implementata nel codice Yambo sul set GW100, un set di 100 molecole utilizzate per confrontare i principali codici MBPT mediante G0W0. Per tutte le molecole abbiamo calcolato il potenziale di ionizzazione (IP) e l'affinità elettronica (EA) e confrontato i risultati con gli altri codici MBPT con i dati GW100 disponibili. I risultati di questo studio ci hanno permesso di concludere che lo schema GN-PPA supera altre approssimazioni comunemente usate, come il modello Hybertsen-Louie, e fornisce risultati in un accordo ragionevole con implementazione più sofisticate del GW come full-frequency e contour-deformation. Recentemente, il gruppo EPFL-THEOS (Lausanne, CH), guidato dal Prof. Nicola Marzari, ha eseguito una HT computational exfoliation di composti 3D sperimentalmente conosciuti, scoprendo più di 1800 materiali 2D esfoliabili. La parte finale di questa tesi è dedicata allo studio delle proprietà elettroniche e ottiche di un sottoinsieme di questi sistemi, al fine di identificare possibilmente materiali candidati che possano realizzare la tanto ricercata fase di isolante eccitonico (EI). La fase EI è una fase correlata della materia, proposta più di 50 anni fa da L. Keldysh, W. Kohn, in cui lo stato fondamentale di un sistema, al di sotto di una temperatura critica, è formato da un condensato di eccitoni di Bose. Per fare previsioni sulle possibili instabilità eccitoniche nello stato fondamentale, sono indispensabili una stima molto accurata del band gap elettronico e delle energie di legame eccitoniche, e workflow per automatizzare calcoli MBPT costituiscono uno strumento estremamente efficace per questa ricerca.