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Type: Tese
Title: Electronic, transport and optical properties in multilayer phosphorene
Title in English: Electronic, transport and optical properties in multilayer phosphorene
Authors: Sousa, Francisco Etan Batista de
Advisor: Sousa, Jeanlex Soares de
Co-advisor: Costa, Diego Rabelo da
Keywords in Brazilian Portuguese : Fosforeno;Defeitos de vacância;Desdobramento de bandas;Transporte anisotrópico;Função dielétrica
Keywords in English : Phosphorene;Vacancy defect;Band unfolding;Anisotropic transport;Dielectric function
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Issue Date: 2024
Citation: SOUSA, F. E. B. Electronic, transport and optical properties in multilayer phosphorene. 2024. Tese (Doutorado em Física: Física da Matéria Condensada) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: Investigamos teoricamente as propriedades eletrônicas, de transporte e ópticas de multicamadas de fosforeno usando métodos numéricos e semianalíticos. Primeiramente, combinando o modelo tight-binding e a técnica de desdobramento de bandas, exploramos os efeitos das vacâncias atômicas na estrutura de bandas de multicamadas de fosforeno. Resultados para mono, di e tri-vacâncias são analisados mantendo ou não as simetrias das sub-redes e/ou subcamadas. Uma descrição detalhada da estrutura teórica utilizada é ilustrada para estruturas sem vacâncias de uma, duas e três camadas de fosforeno com empilhamento Bernal, o que nos permite identificar que a estabilidade da banda desdobrada efetiva depende do tamanho da supercélula do fosforeno com N camadas, revelando como adequada uma supercélula com tamanho de 6 x 6 células unitárias. Na presença de vacância, emerge na estrutura de bandas um estado quase n-dobradamente degenerado em um sistema com n vacâncias quando a simetria da sub-rede e/ou a simetria de inversão são quebradas. Dentro dessa abordagem combinada, também investigamos os efeitos das vacâncias devido a sua distribuição aleatória em nanofitas de fosforeno com bordas zigzag e armchair. Em segundo lugar, investigamos teoricamente o efeito de um campo elétrico aplicado perpendicularmente e a influência dos tipos de bordas (armchair e zigzag) na condutância e colimação da dinâmica de portadores de carga em junções de fosforeno de monocamada-bicamada, monocamada-bicamada-monocamada e bicamada-monocamada-bicamada. Utilizando o formalismo de Landauer-Büttiker e o modelo tight-binding, exploramos a densidade de corrente de probabilidade e a condutância em relação aos parâmetros do sistema, como energia de Fermi, magnitude do campo elétrico e comprimento da parede de domínio. Nossos resultados mostram que (i) tais propriedades físicas exibem uma forte dependência na orientação cristalográfica do modo eletrônico propagante e do tipo de interface devido à alta anisotropia nas bandas de energia, massas efetivas e velocidades de grupo do fosforeno com N camadas ao longo das direções x e y, (ii) modulações de corrente e (iii) uma dependência pronunciada na colimação dos feixes de elétrons na interface nas junções de multicamadas de fosforeno investigadas, obtidas aplicando um campo elétrico que quebra a simetria de inversão e causa um ajuste nas bandas próximas ao nível de Fermi, abrindo (fechando) o gap para monocamada (bicamada) de fosforeno. Todos os resultados são explicados no contexto da descontinuidade/alinhamento da estrutura de bandas do fosforeno com multicamadas entre as porções da junção. Finalmente, exploramos transições ópticas em multicamadas de fosforeno próximas ao nível de Fermi por meio de uma abordagem semianalítica. Para isso, usamos uma aproximação para o contínuo para multicamadas de fosforeno, derivada do modelo tight-binding com quinze parâmetros de hoppings, e consideramos a interação luz-matéria de primeira ordem. Essa abordagem nos permite, de forma simples, calcular os elementos da matriz de momento associados à luz polarizada nas direções x e y e, em seguida, obter a função dielétrica bidimensional total para multicamadas de fosforeno extraída da regra de ouro de Fermi. Os picos de transição na função dielétrica bidimensional total são analisados em relação à estrutura de bandas do fosforeno com multicamadas, levando em consideração diferentes números de camadas de fosforeno.
Abstract: We theoretically investigate multilayer phosphorene's electronic, transport, and optical properties by numeric and semianalytical methods. First, by combining the tight-binding model and the band unfolding technique, we explore the effects of atomic vacancies on the band structure of multilayer phosphorene. Results for mono-, di-, and tri-vacancies are analyzed by keeping or not the sublattice and/or the sublayer symmetries. A detailed description of the used theoretical framework is illustrated for defect-free structures of a monolayer, bilayer, and trilayer phosphorene with Bernal stacking, which allows us to identify that the stability of the effective unfolded band is dependent on the size of the N-layer phosphorene supercell, revealing as an appropriated supercell with a size of 6 x 6 unit cells. In the presence of vacancies, one emerges in the band structure an almost n-fold degenerate quasi-flat state in a system with n vacancies when the sublattice symmetry or/and the inversion symmetry are broken. Within this combined approach, we also investigate the defect effects due to randomly distributed vacancies in phosphorene nanoribbons with zigzag and armchair edges. Second, we theoretically investigate the effect of a perpendicularly applied electric field and the influence of edge types (armchair and zigzag) on the conductance and collimation of charge carriers dynamics in monolayer-bilayer, monolayer-bilayer-monolayer, and bilayer-monolayer-bilayer phosphorene junctions. By using the Landauer-Büttiker formalism and the tight-binding model, we explore the probability current density and the conductance in relation to the system parameters, such as Fermi energy, electric field magnitude, and domain wall length. Our results show (i) that such physical properties exhibit a strong dependence on the crystallographic orientation of the electronic propagating mode and the interface type due to the high anisotropy on the N-layer phosphorene energy bands, effective masses, and group velocities along the x and y directions, (ii) current modulations and (iii) a pronounced dependence on the collimation of the electron beams at the interface in the investigated multilayer phosphorene junctions, obtained by applying an electric field that breaks the inversion symmetry and causes a bandgap tuning, opening (closing) the gap for monolayer (bilayer) phosphorene. All results are explained in the context of the band structure mismatch/alignment between the portions of the multilayer phosphorene junction. Finally, optic transitions in multilayer phosphorene close to the Fermi level are explored via a semianalytical approach. For that, we use a continuum approximation for multilayer phosphorene, derived from a fifteen hopping parameters tight-binding model, and consider the first-order light-matter interaction. This approach allows us, in a simple way, to calculate the momentum matrix elements associated with polarized light in x and y directions, and then to obtain the total two-dimensional dielectric function of multilayer phosphorene extracted from Fermi's golden rule. The transition peaks in the total two-dimensional dielectric function are analyzed in view of the multilayer phosphorene band structure by taking different numbers of phosphorene layers.
Description in Brazilian Portuguese: SOUSA, F. E. B. Electronic, transport and optical properties in multilayer phosphorene. 2024. Tese (Doutorado em Física: Física da Matéria Condensada) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78531
Access Rights: Acesso Aberto
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