Lead iodide (PbI2) has gained much interest due to its direct electronic gap in the visible range and layered crystal structure. It has thereby been considered as a promising material for applications in atomically thin optoelectronic devices. In this work, we present a detailed investigation of the effect of spin–orbit coupling (SOC) that arises from the presence of heavy atoms on the electronic and optical properties of PbI2 using first-principles calculations based on density-functional theory and many-body perturbation theory. We find that SOC not only alters the bandgap but also induces the mixing of orbital characters, resulting in a significant change in the overall band structure and charge carrier effective masses. Moreover, the band orbital mixing caused by SOC results in the dramatic change in optical transition matrix elements and, correspondingly, the absorption spectrum. Our experimentally measured absorption spectra validate the calculation results and demonstrate the importance of SOC in the optical processes of PbI2. Our findings provide insights that are important for the potential use of PbI2 as a material platform for visible optoelectronic devices.

1.
P. A.
Beckmann
,
Cryst. Res. Technol.
45
,
455
(
2010
).
2.
A.
Ferreira Da Silva
,
N.
Veissid
,
C. Y.
An
,
I.
Pepe
,
N.
Barros De Oliveira
, and
A. V.
Batista Da Silva
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
1930
(
1996
).
3.
X.
Liu
,
S. T.
Ha
,
Q.
Zhang
,
M.
De La Mata
,
C.
Magen
,
J.
Arbiol
,
T. C.
Sum
, and
Q.
Xiong
,
ACS Nano
9
,
687
(
2015
).
4.
J.
Zhang
,
T.
Song
,
Z.
Zhang
,
K.
Ding
,
F.
Huang
, and
B.
Sun
,
J. Mater. Chem. C
3
,
4402
(
2015
).
5.
N. J.
Jeon
,
J. H.
Noh
,
W. S.
Yang
,
Y. C.
Kim
,
S.
Ryu
,
J.
Seo
, and
S.
Il Seok
,
Nature
517
,
476
(
2015
).
6.
W.
Chen
,
Y.
Wu
,
Y.
Yue
,
J.
Liu
,
W.
Zhang
,
X.
Yang
,
H.
Chen
,
E.
Bi
,
I.
Ashraful
,
M.
Grätzel
, and
L.
Han
,
Science
350
,
944
(
2015
).
7.
J.
Zhang
,
Y.
Huang
,
Z.
Tan
,
T.
Li
,
Y.
Zhang
,
K.
Jia
,
L.
Lin
,
L.
Sun
,
X.
Chen
,
Z.
Li
,
C.
Tan
,
J.
Zhang
,
L.
Zheng
,
Y.
Wu
,
B.
Deng
,
Z.
Chen
,
Z.
Liu
, and
H.
Peng
,
Adv. Mater.
30
,
1803194
(
2018
).
8.
Y.
Sun
,
Z.
Zhou
,
Z.
Huang
,
J.
Wu
,
L.
Zhou
,
Y.
Cheng
,
J.
Liu
,
C.
Zhu
,
M.
Yu
,
P.
Yu
,
W.
Zhu
,
Y.
Liu
,
J.
Zhou
,
B.
Liu
,
H.
Xie
,
Y.
Cao
,
H.
Li
,
X.
Wang
,
K.
Liu
,
X.
Wang
,
J.
Wang
,
L.
Wang
, and
W.
Huang
,
Adv. Mater.
31
,
1806562
(
2019
).
9.
J.
Xiao
,
L.
Zhang
,
H.
Zhou
,
Z.
Shao
,
J.
Liu
,
Y.
Zhao
,
Y.
Li
,
X.
Liu
,
H.
Xie
,
Y.
Gao
,
J. T.
Sun
,
A. T. S.
Wee
, and
H.
Huang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
32099
(
2020
).
10.
W.
Zheng
,
B.
Zheng
,
C.
Yan
,
Y.
Liu
,
X.
Sun
,
Z.
Qi
,
T.
Yang
,
Y.
Jiang
,
W.
Huang
,
P.
Fan
,
F.
Jiang
,
W.
Ji
,
X.
Wang
, and
A.
Pan
,
Adv. Sci.
6
,
1802204
(
2019
).
11.
D.
Zhang
,
Y.
Liu
,
M.
He
,
A.
Zhang
,
S.
Chen
,
Q.
Tong
,
L.
Huang
,
Z.
Zhou
,
W.
Zheng
,
M.
Chen
,
K.
Braun
,
A. J.
Meixner
,
X.
Wang
, and
A.
Pan
,
Nat. Commun.
11
,
4442
(
2020
).
12.
M. R.
Tubbs
and
A. J.
Forty
,
J. Phys. Chem. Solids
26
,
711
(
1965
).
13.
G.
Harbeke
and
E.
Tosatti
,
Phys. Rev. Lett.
28
,
1567
(
1972
).
14.
I. C.
Schlüter
and
M.
Schlüter
,
Phys. Rev. B
9
,
1652
(
1974
).
15.
A. S.
Toulouse
,
B. P.
Isaacoff
,
G.
Shi
,
M.
Matuchová
,
E.
Kioupakis
, and
R.
Merlin
,
Phys. Rev. B
91
,
165308
(
2015
).
16.
M.
Zhou
,
W.
Duan
,
Y.
Chen
, and
A.
Du
,
Nanoscale
7
,
15168
(
2015
).
17.
M. F.
Lin
,
M. A.
Verkamp
,
J.
Leveillee
,
E. S.
Ryland
,
K.
Benke
,
K.
Zhang
,
C.
Weninger
,
X.
Shen
,
R.
Li
,
D.
Fritz
,
U.
Bergmann
,
X.
Wang
,
A.
Schleife
, and
J.
Vura-Weis
,
J. Phys. Chem. C
121
,
27886
(
2017
).
18.
Z. Y.
Zhu
,
Y. C.
Cheng
, and
U.
Schwingenschlögl
,
Phys. Rev. B
84
,
153402
(
2011
).
19.
G.
Wang
,
C.
Robert
,
A.
Suslu
,
B.
Chen
,
S.
Yang
,
S.
Alamdari
,
I. C.
Gerber
,
T.
Amand
,
X.
Marie
,
S.
Tongay
, and
B.
Urbaszek
,
Nat. Commun.
6
,
10110
(
2015
).
20.
M. A.
Becker
,
R.
Vaxenburg
,
G.
Nedelcu
,
P. C.
Sercel
,
A.
Shabaev
,
M. J.
Mehl
,
J. G.
Michopoulos
,
S. G.
Lambrakos
,
N.
Bernstein
,
J. L.
Lyons
,
T.
Stöferle
,
R. F.
Mahrt
,
M. V.
Kovalenko
,
D. J.
Norris
,
G.
Rainò
, and
A. L.
Efros
,
Nature
553
,
189
(
2018
).
21.
P. C.
Sercel
,
J. L.
Lyons
,
D.
Wickramaratne
,
R.
Vaxenburg
,
N.
Bernstein
, and
A. L.
Efros
,
Nano Lett.
19
,
4068
(
2019
).
22.
P.
Giannozzi
,
O.
Andreussi
,
T.
Brumme
,
O.
Bunau
,
M.
Buongiorno Nardelli
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
M.
Cococcioni
,
N.
Colonna
,
I.
Carnimeo
,
A.
Dal Corso
,
S.
de Gironcoli
,
P.
Delugas
,
R. A.
DiStasio
,
A.
Ferretti
,
A.
Floris
,
G.
Fratesi
,
G.
Fugallo
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
F.
Giustino
,
T.
Gorni
,
J.
Jia
,
M.
Kawamura
,
H.-Y.
Ko
,
A.
Kokalj
,
E.
Küçükbenli
,
M.
Lazzeri
,
M.
Marsili
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
N. L.
Nguyen
,
H.-V.
Nguyen
,
A.
Otero-de-la-Roza
,
L.
Paulatto
,
S.
Poncé
,
D.
Rocca
,
R.
Sabatini
,
B.
Santra
,
M.
Schlipf
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
I.
Timrov
,
T.
Thonhauser
,
P.
Umari
,
N.
Vast
,
X.
Wu
, and
S.
Baroni
,
J. Phys.: Condens. Matter
29
,
465901
(
2017
).
23.
D. M.
Ceperley
and
B. J.
Alder
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
566
(
1980
).
24.
J. P.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
23
,
5048
(
1981
).
25.
J.
Deslippe
,
G.
Samsonidze
,
D. A.
Strubbe
,
M.
Jain
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Comput. Phys. Commun.
183
,
1269
(
2012
).
26.
M. S.
Hybertsen
and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. B
34
,
5390
(
1986
).
27.
J.
Deslippe
,
G.
Samsonidze
,
M.
Jain
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. B
87
,
165124
(
2013
).
28.
N.
Marzari
,
A. A.
Mostofi
,
J. R.
Yates
,
I.
Souza
, and
D.
Vanderbilt
,
Rev. Mod. Phys.
84
,
1419
(
2012
).
29.
G.
Pizzi
,
V.
Vitale
,
R.
Arita
,
S.
Blügel
,
F.
Freimuth
,
G.
Géranton
,
M.
Gibertini
,
D.
Gresch
,
C.
Johnson
,
T.
Koretsune
,
J.
Ibañez-Azpiroz
,
H.
Lee
,
J.-M.
Lihm
,
D.
Marchand
,
A.
Marrazzo
,
Y.
Mokrousov
,
J. I.
Mustafa
,
Y.
Nohara
,
Y.
Nomura
,
L.
Paulatto
,
S.
Poncé
,
T.
Ponweiser
,
J.
Qiao
,
F.
Thöle
,
S. S.
Tsirkin
,
M.
Wierzbowska
,
N.
Marzari
,
D.
Vanderbilt
,
I.
Souza
,
A. A.
Mostofi
, and
J. R.
Yates
,
J. Phys.: Condens. Matter
32
,
165902
(
2020
).
30.
M.
Rohlfing
and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. B
62
,
4927
(
2000
).
31.
B. A.
Barker
,
J.
Deslippe
,
J.
Lischner
,
M.
Jain
,
O. V.
Yazyev
,
D. A.
Strubbe
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. B
106
,
115127
(
2022
).
32.
Z.
Li
,
D. F.
Cordovilla Leon
,
W.
Lee
,
K.
Datta
,
Z.
Lyu
,
J.
Hou
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
E.
Kioupakis
, and
P. B.
Deotare
,
Nano Lett.
21
,
8409
(
2021
).
33.
R.
Ahuja
,
H.
Arwin
,
A. F.
Da Silva
,
C.
Persson
,
J. M.
Osorio-Guillén
,
J.
Souza De Almeida
,
C. M.
Araujo
,
E.
Veje
,
N.
Veissid
,
C. Y.
An
,
I.
Pepe
, and
B.
Johansson
,
J. Appl. Phys.
92
,
7219
(
2002
).
34.
T.
Goto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
51
,
3
(
1982
).
35.
M. S.
Skolnick
and
D.
Bimberg
,
Phys. Rev. B
18
,
7080
(
1978
).
36.
T.
Goto
,
S.
Saito
, and
M.
Tanaka
,
Solid State Commun.
80
,
331
(
1991
).
37.
S.
Saito
and
T.
Goto
,
Phys. Rev. B
52
,
5929
(
1995
).
38.
A.
Dal Corso
and
A. M.
Conte
,
Phys. Rev. B
71
,
115106
(
2005
).
39.
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Dresselhaus
, and
A.
Jorio
,
Group Theory
(
Springer
,
2008
).
40.
J.
Even
,
L.
Pedesseau
,
J. M.
Jancu
, and
C.
Katan
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
2999
(
2013
).
41.
D.
Giovanni
,
H.
Ma
,
J.
Chua
,
M.
Grätzel
,
R.
Ramesh
,
S.
Mhaisalkar
,
N.
Mathews
, and
T. C.
Sum
,
Nano Lett.
15
,
1553
(
2015
).
42.
J. B.
Anthony
and
A. D.
Brothers
,
Phys. Rev. B
7
,
1539
(
1973
).
43.
C.-X.
Sheng
,
Y.
Zhai
,
E.
Olejnik
,
C.
Zhang
,
D.
Sun
, and
Z. V.
Vardeny
,
Opt. Mater. Express
5
,
530
(
2015
).
44.
V.
Gulia
and
A. G.
Vedeshwar
,
Phys. Rev. B
75
,
045409
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.