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Tipo: Dissertação
Título: Éxcitons em multicamadas rotacionadas de fosforeno
Autor(es): Araújo, Hertan Bruno Nascimento de
Orientador: Farias, Gil de Aquino
Palavras-chave em português: Éxcitons;Multicamadas de fosforeno;Estruturas de van der Waals rotacionadas;Potencial de Rytova-Keldysh;Método de matriz de transferência
Palavras-chave em inglês: Excitons;Phosphorene multilayers;Rotated van der Waals structures;Rytova- Keldysh potential;Transfer matrix method
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Data do documento: 2025
Citação: ARAÚJO, Hertan Bruno Nascimento de. Éxcitons em multicamadas rotacionadas de fosforeno. 2025. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: Fosforeno, uma monocamada do fósforo negro, é um dos constituites da grande família de materiais bidimensionais (2D) com características semicondutoras, que apresenta propriedades físicas dependentes das orientações cristalográficas, em virtude da sua estrutura cristalina enrugada com hibridização do tipo sp3 que leva a uma estrutura de bandas altamente anisotrópicas. O seu gap de energia é ajustável com o número de camadas, com intervalo que vai de ≈ 2 eV (monocamada) até ≈ 0.3 eV (bulk). Devido à dimensionalidade e à blindagem dielétrica reduzidas, as multicamadas de fosforeno apresentam pronunciados efeitos excitônicos com fortes interações Coulombianas entre os elétrons e buracos, levando a altas energias de ligação e a longos tempos de vida. Tais propriedades únicas das multicamadas de fosforeno o tornam um potencial candidato para aplicações em dispositivos optoeletrônicos no intervalo do infravermelho médio ao infravermelho próximo. Outro grau de liberdade para ajustar as propriedades eletrônicas de um sistema de multicamadas de materiais 2D é através da rotação relativa entre as camadas. Assim, motivados pelos fortes efeitos excitônicos e pronunciadas propriedades anisotrópicas no fosforeno, exploraremos neste trabalho a formação de éxcitons intracamadas e intercamadas em um sistema de multicamadas rotacionadas de fosforeno separadas por dielétricos com diferentes larguras e constantes dielétricas, posicionando cada camada de fosforeno com um certo ângulo relativo em relação as camadas adjacentes. Nossa abordagem teórica combina a aproximação de massa efetiva para tratar os graus de liberdade no plano e o modelo tight-binding para lidar com os acoplamentos intercamadas, que aqui consideramos ser exponencialmente dependente da distância intercamada. Obtivemos o potencial de interação do par elétron-buraco de forma semianalítica, generalizando a solução de Rytova-Keldysh da equação de Poisson através do método da matriz de transferência para estruturas formadas por fosforeno separadas por dielétricos, com tal sistema depositado em determinado substrato e superstrato, e assim o regime da interação Coulombiana de longo alcance. Resultados dos potenciais de interação elétron-buraco, das energias de ligação e das energias dos éxcitons, para diferentes configurações do sistema, são discutidos, verificando o efeito da espessura e das constantes dielétricas dos espaçadores dielétricos entre as camadas, do número de camadas de fosforeno, e do ângulo de rotação.
Abstract: Phosphorene – a monolayer of black phosphorus – is one of the constituents of the large family of two-dimensional (2D) materials with semiconducting characteristics, exhibiting physical properties that depend on crystallographic orientations due to its puckered crystalline structure with sp3-type hybridization, which leads to highly anisotropic band structures. Its energy gap is tunable with the number of layers, ranging from ≈ 2 eV (monolayer) to ≈ 0.3 eV (bulk). Due to reduced dimensionality and dielectric screening, phosphorene multilayers exhibit pronounced excitonic effects with strong Coulomb interactions between electrons and holes, leading to high binding energies and long lifetimes. These unique properties of phosphorene multilayers make them potential candidates for applications in optoelectronic devices operating in the mid-infrared to near-infrared range. Another degree of freedom to tune the electronic properties of a multilayer system of 2D materials is through the relative rotation between layers. Thus, motivated by the strong excitonic effects and pronounced anisotropic properties of phosphorene, in this work, we explore the formation of intralayer and interlayer excitons in a system of rotated phosphorene multilayers separated by dielectrics with different thicknesses and dielectric constants, positioning each phosphorene layer at a certain relative angle concerning adjacent layers. Our theoretical approach combines the effective mass approximation to treat in-plane degrees of freedom with the tight-binding model to handle interlayer couplings, which we assume here to be exponentially dependent on the interlayer distance. We obtain the electron-hole pair interaction potential in a semi-analytical form, generalizing the Rytova-Keldysh solution of the Poisson equation through the transfer matrix method for structures composed of phosphorene layers separated by dielectrics, with the system deposited on specific substrate and superstrate, assuming the long-range Coulomb interaction regime. Results of the electron-hole interaction potential, binding energies, and exciton energies for different system configurations are discussed, analyzing the effects of the dielectric spacer thickness and dielectric constants, the number of phosphorene layers, and the rotation angle.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85309
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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