Two-dimensional transition metal halides for optical applications: impact of excitons
| dc.contributor.advisor1 | Lima, Matheus Paes | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/1835846543912999 | por |
| dc.contributor.advisor1orcid | https://orcid.org/0000-0001-5389-7649 | por |
| dc.contributor.author | Regis, Natan Moreira | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/1280246673704789 | por |
| dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0000-0003-1097-3036 | por |
| dc.date.accessioned | 2024-10-30T20:31:49Z | |
| dc.date.available | 2024-10-30T20:31:49Z | |
| dc.date.issued | 2024-08-01 | |
| dc.description.abstract | Two-dimensional materials have experienced rapid growth since the first exfoliation of graphene in 2004, which is an atomically thin sheet of carbon atoms exfoliated from graphite. Despite several unprecedented properties of graphene, induced by quantum confinement, it lacks a band gap that limits some optoelectronic applications. however, graphene motivates a new research field of two-dimensional materials, and their potential compositions and structures, ranging from insulators to semiconductors to conductors. The wide range of conductive behavior within the quantum confinement gives rise to distinct behaviors, including a large exciton binding energy. Excitons are quasi-particles formed by an electron-hole pair that interact through Coulomb attraction, a phenomenon present in semiconductors but more notable in low-dimensional materials due to quantum confinement, which changes the dielectric environment. However, single-particle theoretical methods, such as ground-state density functional theory, do not describe excitons because it is a many-body phenomenon. Thus, a complete characterization of the optical properties of two-dimensional materials requires going beyond a single-particle perspective. Motivated by the accomplishment of several two-dimensional materials and halide perovskites, this work explores a new class of two-dimensional materials, namely, transition metal halide (TMHs) monolayers. We initially selected potential TMHs for optoelectronics in the Computational 2D Materials Database (C2DB) and subsequently analyzed the structural, electronic, optical and excitonic properties using state-of-the-art theoretical methods to study materials such as Density Funcional Theory (DFT) calculations including relativistic and bandgap correction and the evaluation of optical properties including excitonic effect within Tight Binding (TB) Hamiltonian and by the solution of Bethe-Salpeter equation (BSE). Our calculations show that the equilibrium structure calculated by C2DB agrees with those obtained here and with other theoretical works. However, electronic properties exhibit important deviations that are not homogeneous among systems. For iinstance, we observed deviations in the bandgap values up to 17 % when considering relativistic correction and for the corrected bandgap value computed applying the scissors operator methodology. We also computed optical and excitonic properties by solving the Bethe-Salpeter equations, showing isotropic and non-isotropic light absorption among the systems. The inclusion of excitonic effects decreased the maximum light absorption when compared to the absorption coefficient without these effects and also changes in the energy region of spectra. The compositions demonstrated considerable binding energy, highlighting the importance of studying this quasi-particle in theoretical calculations. The possible heterojunctions are hardly influenced by excitonic effects; thus, evaluating possible heterojunctions must take into account exctions. Finally, we found evidence of an excitonic insulator among the systems, where the excited state are preferable than the semiconducting ground state. | eng |
| dc.description.resumo | Os materiais bidimensionais têm experimentado um rápido crescimento desde a primeira esfoliação do grafeno em 2004, que é uma folha atomicamente fina de átomos de carbono esfoliada do grafite. Apesar de várias propriedades sem precedentes do grafeno, induzidas pelo confinamento quântico, ele carece de um gap de banda, oque limita algumas aplicações optoeletrônicas. porém o grafeno motivou um novo campo de pesquisa de materiais bidimensionais, com suas potenciais composições e estruturas, variando de isolantes a semicondutores e condutores. A ampla gama de comportamento condutivo dentro do confinamento quântico dá origem a comportamentos distintos, incluindo uma grande energia de ligação do exciton. Excitons são quasi-partı́culas formadas por um par elétron-buraco que interage através da atração de Coulomb, um fenômeno presente em semicondutores, mas mais notável em materiais de baixa dimensão devido ao confinamento quântico, que altera o ambiente dielétrico. No entanto, métodos teóricos de partı́culas individuais, como a teoria do funcional da densidade no estado fundamental, não descrevem excitons porque é um fenômeno de muitos corpos. Assim, uma caracterização completa das propriedades ópticas dos materiais bidimensionais requer ir além de uma perspectiva de partı́culas individuais. Motivado pelas conquistas de vários materiais bidimensionais e perovskitas halogenadas, este trabalho explora uma nova classe de materiais bidimensionais, a saber, monocamadas de haletos de metais de transição (TMHs). Inicialmente, selecionamos TMHs potenciais para optoeletrônica no Banco de Dados Computacional de Materiais 2D (C2DB) e, subsequentemente, analisamos as propriedades estruturais, eletrônicas, ópticas e excitônicas usando métodos teóricos de ponta como cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT) incluindo correções relativı́sticas e de gap de banda, e a avaliação de propriedades ópticas incluindo efeitos excitônicos dentro de Hamiltonianos de Ligação Forte (TB) e pela solução da equação de Bethe-Salpeter (BSE) para estudar esses materiais. Nossos cálculos mostram que a estrutura de equilı́brio calculada pelo C2DB concorda com os cálculos realizados aqui. No entanto, as propriedades eletrônicas exibem desvios importantes que não são homogêneos entre os sistemas Por exemplo, observamos desvios nos valores de gap de banda de até 17 % ao considerar correções relativı́sticas e para o valor corrigido do gap de banda calculado aplicando a metodologia do operador tesoura. Também calculamos propriedades ópticas e excitônicas resolvendo as equações de Bethe-Salpeter, mostrando absorção de luz isotrópica e anisotrópica entre os sistemas. A inclusão de efeitos excitônicos diminuiu a máxima absorção de luz quando comparada ao coeficiente de absorção sem esses efeitos e também alterou a região de energia dos espectros de absorção máxima. As composições demonstraram considerável energia de ligação, destacando a importância de estudar esta quasi-partı́cula em cálculos teóricos. As possı́veis heterojunções são fortemente influenciadas pelos efeitos excitônicos; portanto, a avaliação de possı́veis heterojunções deve levar em consideração os excitons. Finalmente, encontramos evidências de um isolante excitônico entre os sistemas, onde os estados excitados são preferı́veis ao estado fundamental semicondutor. | por |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
| dc.description.sponsorshipId | 130902/2022-5 | por |
| dc.identifier.citation | REGIS, Natan Moreira. Two-dimensional transition metal halides for optical applications: impact of excitons. 2024. Dissertação (Mestrado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20908. | * |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20908 | |
| dc.language.iso | eng | por |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
| dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
| dc.publisher.initials | UFSCar | por |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Física - PPGF | por |
| dc.rights | Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/ | * |
| dc.subject | Transition Metal Halides | eng |
| dc.subject | Two Dimensional | eng |
| dc.subject | Monolayer | eng |
| dc.subject | Excitons | eng |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::SUPERFICIES E INTERFACES; PELICULAS E FILAMENTOS | por |
| dc.title | Two-dimensional transition metal halides for optical applications: impact of excitons | eng |
| dc.title.alternative | Haletos de metais de transição bi-dimensionais para aplicações óticas: impacto dos éxcitons | por |
| dc.type | Dissertação | por |
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