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Tipo: Tese
Título: Excitons de subbandas em multicamadas de fósforo negro
Autor(es): Sousa, Gabriel Oliveira de
Orientador: Chaves, Andrey
Palavras-chave: Excitons;Bandas de energia;Fósforo negro;Semicondutores bidimensionais
Data do documento: 2021
Citação: SOUSA, G. O. Excitons de subbandas em multicamadas de fósforo negro. 71 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Resumo: Com os avanços recentes nas técnicas de fabricação de materiais bidimensionais (2D), a variedade desses materiais que se tornaram disponíveis para estudos experimentais aumentou muito nos últimos anos. A possibilidade de manipular o número de camadas nesses materiais também traz novas perspectivas para explorar as propriedades físicas de suas versões em multicamadas. Isso é interessante porque as propriedades físicas de alguns materiais 2D, como massas efetivas de quase-partículas, energia de ligação de excitons e o gap de energia, podem ser ajustadas pelo número de camadas. Pode-se explorar o sistema de multicamadas de duas maneiras: o empilhamento de camadas do mesmo material ou combinando camadas de diferentes materiais. Neste trabalho, trataremos do primeiro caso, onde o material é o fósforo negro (BP). Motivado por recentes observações experimentais de absorção de luz em poucas camadas de BP, desenvolvemos um modelo teórico para explicar a origem de uma série de picos de alta intensidade, intercalados por um par de picos de baixa intensidade, observados em experimentos de espectro de absorção de luz. O modelo consiste em descrever estados excitônicos em poucas camadas de BP através da aproximação de massa efetiva, que lida com as coordenadas no plano do elétron e do buraco, enquanto que o acoplamento inter-camada se dá através de um modelo tight-binding unidimensional. Esse modelo fornece transições de excitons entre diferentes combinações de subbandas, criadas pelo acoplamento de camadas de BP, que leva a essa série de picos com altas e baixas intensidades, as quais estão relacionadas à força do oscilador dos estados excitônicos. Esses estados de alta e baixa intensidade são muitas vezes referidos na literatura como estados bright (claro) e dark (escuro) de excitons, respectivamente. A energia e a força do oscilador dos estados de excitons de subbandas podem ser controlados através de um campo elétrico perpendicular e do número de camadas. Os resultados obtidos pelo modelo estão consistentes com o que é observado no experimento, além de elucidar aspectos que o experimento não considerou acerca dos estados de excitons de subbandas. Entre eles estão: a hibridização entre estados de excitons e a dependência do shift diamagnético com o campo elétrico para diferentes estados.
Abstract: With the recent advances in two-dimensional (2D) materials fabrication techniques, the variety of these materials that became available for experimental studies has increased substantially over the past few years. The possibility of manipulating the number of layers in these materials also brings new perspectives to explore the physical properties of multilayer 2D materials. This is interesting because the physical properties of some 2D materials, such as the band alignment between layers, quasi-particle effective masses, and optical band gaps, can be tuned by the number of layers. One can explore such a multilayer semiconductor system in two ways: with a stack of layers of the same material, or combining layers of different materials. In this work, we consider the first case, where the material is black phosphorus (BP). Motivated by recent experimental observations of light absorption in few-layer BP, we develop a theoretical model to explain the origin of a series of high-intensity peaks interspersed by pairs of low-intensity peaks, in the experimental absortion spectra of BP. The model consists in describing excitonic states in a few-layer of BP through the effective mass approximation, which deals with the electron and hole in-plane coordinates, along with a unidimensional tight-binding approximation that accounts for inter-layer couplings. This yields excitonics transitions between different combinations of the sub-bands created by the coupled BP layers, which leads to a series of high and low-intensity peaks that are related to the oscillator strength of the excitonic states involved. These high and low-intensity states are referred in the literature as bright and dark excitons states, respectively. The energy and oscillator strength of the sub-bands exciton states can be controlled through a perpendicular electric field and the number of layers. The results obtained by this model are consistent with what is observed in the experiment and, in addition, they help elucidating aspects that the experiment did not consider about subband excitonic states. Among them, are the hybridization between excitonic states and the dependency of diamagnetic shift with an electric field for different states.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/61235
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