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Tipo: Tese
Título : Optoelectronics in two-dimensional materials
Título en inglés: Optoelectronics in two-dimensional materials
Autor : Cavalcante, Lucas Samir Ramalho
Tutor: Chaves, Andrey
Palabras clave : Optoeletrônica;Materiais bidimensionais;Materiais bidimensionais;Plasmon
Fecha de publicación : 2020
Citación : Cavalcante, L. S. R. Optoelectronics in two-dimensional materials. 113f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumen en portugués brasileño: Excitons, i.e., aglomerados de elétrons e buracos ligados, e plasmons, oscilações coletivas de densidade eletrônica, desempenham um papel fundamental nas interações luz-matéria em materiais semicondutores. Estudamos complexos excitônicos e efeitos plasmônicos em materiais bidimensionais de van der Walls em contextos diferentes. Nós nos concentramos em materiais que recentemente atraíram atenção por causa de suas propriedades optoeletrônicas interessantes, como grafeno, fósforo negro em poucas camadas, TMDCs e suas heteroestruturas. Inicialmente, o papel da blindagem dielétrica na interação elétron-buraco em heteroestruturas de van der Waals é teoricamente investigado. É feita uma comparação entre os modelos disponíveis na literatura para descrever essas interações e as limitações dessas abordagens são discutidas. Uma solução numérica simples da equação de Poisson para o empilhamento de camadas dielétricas baseada em um método de matriz de transferência é desenvolvida, permitindo o cálculo do potencial de interação elétron-buraco a um custo computacional muito baixo e com precisão razoável. Usando diferentes modelos de potencial, as energias de ligação de exciton direto e indireto nesses sistemas são calculadas dentro da teoria de Wannier-Mott, e é discutida uma comparação de resultados teóricos com experimentos recentes sobre excitons em materiais bidimensionais. Paralelamente, o modelo quantum electrostatic heteterostructure (QEH) permite um cálculo eficiente do vetor de onda e da função dielétrica dependente da frequência de heteroestruturas de van der Waals através das funções dielétricas das camadas individuais, que são acopladas classicamente através da interação eletrostática de Coulomb. Aqui, estendemos o modelo QEH incluindo (1) a contribuição dos fônons infravermelhos ativos das camadas 2D para a função dielétrica, (2) a possibilidade de incluir efeitos de substratos e (3) a possibilidade de incluir a blindagem intrabanda de portadores de carga livres em camadas semicondutoras dopadas. Demonstramos o potencial do modelo QEH calculando a dispersão de fônons eletrostaticamente acoplados em multicamadas de nitreto de boro hexagonal (hBN), a forte hibridização de plasmons e fônons ópticos em heteroestruturas de grafeno/hBN, incluindo o surpreendente longo alcance do efeito de blindagem de substrato composto por SiO2, o efeito da blindagem do substrato nos níveis de excitons de MoS2 e as propriedades de plasmons hiperbólicos em uma folha de fosforeno dopado. O novo código QEH é distribuído como um pacote Python com uma interface simples de linha de comando e uma biblioteca abrangente de blocos dielétricos (DBB) está disponível gratuitamente, fornecendo uma plataforma aberta e eficiente para modelagem e design de heteroestruturas de vdW. Nós empregamos o método QEH para explorar o uso de camadas de materiais Janus, e.g. MoSSe, que possuem um dipolo elétrico intrínseco causado por sua assimetria estrutural fora do plano, para dopar seletivamente grafeno em uma heteroestrutura sem a necessidade de fontes externas (como \emph{gates} eletrostáticos ou funcionalização química) para excitar plasmons em grafeno. Demonstramos que, através do controle da energia plasmônica por meio do nível de dopagem e da hibridização de plasmons em diferentes camadas, podemos atingir energias plasmônicas de grafeno até 0.5 eV ou extinguir seletivamente certos modos (simétricos) pelo amortecimento de Landau. A possibilidade de usar outros dicalcogenetos de metais de transição Janus que possam melhorar esse efeito também é investigada. Finalmente, desenvolvemos um estudo teórico do efeito de um campo elétrico externo aplicado no plano em estados de excitons carregados. Demonstramos que esses estados são fortemente ligados, de modo que a dissociação do par elétron-buraco não é observada até altas intensidades de campo elétrico. As polarizabilidades dos excitons são obtidas a partir da parabolicidade do efeito de \emph{Stark shift} calculado numericamente. Para trions (excitons carregados), no entanto, é observada uma variação de quarta ordem na energia, que permite a verificação experimental da hiperpolarizabilidade em materiais 2D, como observado em estados altamente excitados da série de Rydberg em átomos e íons. Além disso, uma energia de ligação tão alta de excitons carregados pode permitir sistemas onde os trions são transportados no plano dos materiais por um campo externo aplicado, abrindo espaço para possíveis novas aplicações de dispositivos optoeletrônicos no futuro.
Abstract: Excitons, i.e. clusters of bound electrons and holes, and plasmons, collective oscillations of electronic density, play a fundamental role in light-matter interactions in semiconductor materials. We study excitonic complexes and plasmonic effects in two-dimensional van der Walls materials within many different contexts. We focus on materials that have recently attracted attention because of their interesting optoelectronic properties, such as graphene, few-layers black phosphorus, TMDCs, and their heterostructures. Initially, the role of dielectric screening of electron-hole interaction in van der Waals heterostructures is theoretically investigated. A comparison between models available in the literature for describing these interactions is made and the limitations of these approaches are discussed. A simple numerical solution of Poisson’s equation for a stack of dielectric slabs based on a transfer matrix method is developed, enabling the calculation of the electron-hole interaction potential at very low computational cost and with reasonable accuracy. Using different potential models, direct and indirect exciton binding energies in these systems are calculated within Wannier-Mott theory, and a comparison of theoretical results with recent experiments on excitons in two-dimensional materials is discussed. In parallel, the quantum electrostatic heterostructure (QEH) model enables an efficient computation of the wave vector and frequency-dependent dielectric function of layered van der Waals bonded heterostructures in terms of the dielectric functions of the individual layers, which are coupled classically via the electrostatic Coulomb interaction. Here we extend the QEH model by including (1) the contribution to the dielectric function from infrared active phonons of the 2D layers, (2) the possibility of including screening from homogeneous bulk substrates, and (3) the possibility to include intraband screening from free carriers in doped semiconducting layers. We demonstrate the potential of the QEH model by calculating the dispersion of electrostatically coupled phonons in multilayer stacks of hexagonal boron nitride (hBN), the strong hybridization of plasmons and optical phonons in graphene/hBN heterostructures including the surprisingly long ranged effect of a SiO$_2$ substrate, the effect of substrate screening on the exciton series of MoS$_2$, and the properties of hyperbolic plasmons in a doped phosphorene sheet. The new QEH code is distributed as a Python package with a simple command line interface and comprehensive library of dielectric building blocks are freely available providing an efficient open platform for modeling and design of vdW heterostructures. We employ the QEH method to explore the use of MoSSe Janus layers, which possess an intrinsic electric dipole caused by their out-of-plane structural asymmetry, to selectively dope graphene embedded inside a heterostructure without the need of external sources (such as electrostatic gates or chemical functionalization) in order to engineer graphene plasmons. We demonstrate that, through the control of the plasmon energy via the doping level and the hybridization of plasmons in different layers, we can reach graphene plasmon energies up to 0.5 eV or selectively quench certain (symmetric) modes by Landau damping. The possibility of using other Janus transition-metal dichalcogenides that could improve this effect is also investigated. Further work is then developed on the theoretical study of the effect of an external in-plane electric field on charged exciton states. These states are shown to be strongly bound so that electron hole dissociation is not observed up to high electric field intensities. Polarizabilities of excitons are obtained from the parabolicity of numerically calculated Stark shifts. For trions (charged excitons), however, a fourth order Stark shift is observed, which enables the experimental verification of hyperpolarizability in 2D materials, as observed in highly excited states of Rydberg series of atoms and ions. Moreover, such a high binding energy of charged excitons may allow for systems where trions are carried through the materials plane by an applied external field, which opens an avenue for possible novel optoelectronic device applications in the future.
URI : http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/52233
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