Electronic structure and optical properties of monolayer semiconductors: A computational study
Tek katmanlı yarı iletkenlerin elektronik ve optik özellikleri: Hesaplamalı bir çalışma
- Tez No: 687620
- Danışmanlar: PROF. DR. CEYHUN BULUTAY, PROF. DR. CEM SEVİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Son yıllarda, tek katmanlı yarı iletkenlere olan ilgi hızla artmaktadır. Altıgen boron nitrit (h-BN) bu grubun önemli üyelerinden biridir. Oda sıcaklığında boron nitrit, nokta kusurları için yarı iletken vakuma benzer bir ortam sağlamaktadır ki bu durum istikrarlı ve kontrol edilebilen spin durumları için son derece caziptir. Bu özellik, h-BN'i kuantum teknolojik uygulamalar için uygun bir ortam haline getirmektedir. Temel ilkeler yöntemleri bu türden sistemlerin karakteristiğini hesaplamak için gereklidir. Yoğunluk fonksiyon teorisi (YFT) bu tip hesaplamalar için kullanılan güvenilir metodların başındadır. Yakın zaman önce, malzemelerin bant aralığını kayda değer bir ek kaynak gerektirmeden daha isabetli bir şekilde hesaplamak için, YFT-1/2 olarak bilinen bir türev önerilmiştir. Tezin ilk kısmında, tek katmanlı h-BN içerisindeki karbon safsızlığı (CB, CN), tek atom boşlukları (VB, VN), çift atom boşluğu (divacancy) ve Stone-Wales kusuru için YFT ve YFT-1/2 sonuçları karşılaştırılmıştır. Peşi sıra, hibrit veya GW gibi hesaplama açısından pahalı olan tekniklerle elde edilmiş yayınlanmış sonuçlar derlenerek ve YFT-1/2 ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bilhassa, değerlik ve iletim bandında gizlenmiş olan kusur seviyeleri için, YFT-1/2 tekniğinin bant aralığını arttırarak bu seviyeleri ortaya çıkarma konusunda etkin olduğu tespit edilmiştir. Dolayısıyla, bant aralığında bulunan kusur seviyelerinin hızlı bir tasnifi için, YFT-1/2 metodunun kullanılmasını öneriyoruz. Geçiş metal dikalkojenleri (GMDler), yarı iletkenler arasında önde gelen gruplardan bir diğeridir. Bunu, hem esnek hem de optik olarak erişilebilir vadileri sayesinde optik ve mekanik üstünlükleri bir arada barındırmalarına borçludurlar. Tezin ikinci kısmında, iki yüzlü türleri (İYGMDler) ile beraber 10 adet GMDini, yani, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, MoSSe, MoSeTe, WSSe, ve WSeTe'u hesaplamalı olarak çalıştık. Öncelikli olarak, bu malzemelerin elektronik bant yapısını, YFT ve üzerine hibrit hesaplarıyla spin-yörünge etkileşimi de ekleyerek elde ettik. Devamında, çift ve tek eksenli gerilme hesaplarını yaptık. İYGMDlerinin iyi bir piezoelektrik karakteristiğine sahip olduğu daha önce beyan edilmiştir. Kendi YFT sonuçlarımıza göre, İYGMDleri, bant yapısı ve elektronik özellikleri düşünüldüğünde, iki GMD bileşenlerinin arasında sonuçlar göstermektedir ve bu itibarla sıra dışı bir davranışları gözlemlenmemiştir. Optik olarak etkin K vadisi çevresine uydurularak, elde edilen YFT verisi ile spinsiz ve spinli k.p parametreleri elde edilmiştir. k.p parametrizasyonun yardımı ile, gerilmesiz ve gerilmeli durumlar için, çizgisel ve dairesel çiftrenkli davranışlar çalışılmıştır. Bütün bu malzemeler dikkate alındığında, en küçük bant aralığına ve K vadisinde en büyük tek eksenli gerilme potansiyeline sahip olmasıyla birlikte, WTe2 tek eksenli gerilme altında en büyük çizgisel çiftrenkli duyarlılığı sergilemiştir. Nitekim, gerilmeyle ayarlanabilen optik polarizasyonların yanı sıra optik polarizasyon tabanlı gerilme ölçümleri için de WTe2 zarlarının denemesini tavsiye ediyoruz.
Özet (Çeviri)
Interest on monolayer semiconductors is rapidly growing in recent years. One of the prominent members is hexagonal boron nitride (h-BN). At room temperature, it harbors an environment similar to semiconductor vacuum for point defects which is crucial for stable and controllable spin states. This qualification makes h-BN a suitable medium for quantum technological applications. First-principles calculations are essential in order to characterize such systems. Density functional theory (DFT) is one of the most reliable methods used for these type of calculations. Recently, a variant called as DFT-1/2, has been proposed to calculate the band gaps of the materials more accurately without a significant additional computational cost. In the first part of thesis, we have compared the results of DFT and DFT-1/2 for carbon impurities (CB, CN), single vacancies (VB, VN), double vacancy (divacancy) and Stone-Wales defect in monolayer h-BN. Subsequently, results from computationally expensive techniques such as hybrid or GW are presented and compared with the obtained DFT-1/2 results. Especially for the defect states seemingly hidden in valence or conduction band, DFT-1/2 technique is instrumental in revealing these states while widening the band gap. Thus, we recommend the DFT-1/2 method for a quick screening of candidate band gap defect states. Another outstanding group of semiconductors is transition metal dichalcogenides (TMDs). They owe their advantages to optically addressable valley and bringing optics and mechanics together as in valleytronics, thanks to their high flexibility. In the second part of this thesis, ten TMDs including their janus counterparts (JTMDs), namely, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, MoSSe, MoSeTe, WSSe, and WSeTe have been computationally studied. To begin with, the electronic band structure of the specified materials have been computed using DFT followed by hybrid calculations over these, with the addition of spin-orbit coupling. Biaxial and uniaxial strain calculations are subsequently performed. JTMDs were previously proclaimed to have a good piezoelectric characteristic. According to our DFT results, JTMDs exhibit band structure and electronic properties in between its constituent TMDs, and in this respect they do not display an outstanding behaviour. Based on the acquired DFT data, spinless and spinful k.p parameters are extracted by fitting around optically active K valley. With the help of k.p parametrization, linear and circular dichroic behaviours are studied for unstrained and strained cases. In consideration of all these materials, WTe2 displays the largest linear dichroic responsitivity for uniaxial strain, since it has the smallest band gap and the greatest uniaxial deformation potential at the K valley. Thus, we propose monolayer WTe2 membranes to be considered for optical polarization based strain measurements, as well as, strain adjustable optical polarizers.
Benzer Tezler
- Heterostructures of colloidal semiconductor nanoplatelets: A computational approach
Kolloidal yarıiletken nanolevhaların heteroyapıları: Sayısal bir yaklaşım
ACHMAD NASYORI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Heterostructures of colloidal semiconductor nanoplatelets: A computational approach
Kolloidal yarıiletken nanolevhaların heteroyapıları: Sayısal bir yaklaşım
ACHMAD NASYORI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
PROF. DR. EVREN MUTLUGÜN
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Functionalization of group V monolayers and their compounds: Alloying, doping and surface modification
Tek tabaka grup V sistem ve bileşiklerinin fonksiyonelleştirilmesi: Alaşım, katkı ve yüzey modifikasyonu
MUAMMER KANLI
Doktora
İngilizce
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN DURGUN
- Kendiliğinden biriken tek tabaka (SAM) tekniğinin organik alan etkili transistörlerin performansı üzerine etkisi
The effect of self assembled monolayer (SAM) technique on the performance of organic field effect transistors
TUĞBAHAN YILMAZ ALIÇ
Doktora
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT KUŞ
- Electronic and optical properties of example 2D systems under the vertical electric field
Elektrik alan altında örnek iki boyutlu sistemlerin elektronik ve optik özellikleri
YILMAZ CAN YÜKSEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN