Η έρευνα στα δισδιάστατα (2Δ) υλικά και στις ετεροδομές van der Waals έχει γίνει εξαιρετικά δημοφιλής σε διάφορα πεδία της επιστήμης και της μηχανικής. Τα ηλεκτρόνια στα υλικά αυτά μπορούν να κινούνται σε δύο διαστάσεις αλλά είναι περιορισμένα στην εκτός επιπέδου διεύθυνση, με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν ορισμένες εντυπωσιακές οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες. Σε αυτή την ερευνητική κατεύθυνση, παρουσιάζουμε αποτελέσματα Θεωρίας Συναρτησιακού Πυκνότητας (Density Functional Theory - DFT) για την ατομική και ηλεκτρονική δομή της μονής στρώσης WS2, του γραφενίου και της ετεροδομής διπλής στρώσης WS2/γραφενίου. Πραγματοποιήσαμε υπολογισμούς DFT για να διερευνήσουμε τις δια-στρωματικές αλληλεπιδράσεις και την επίδραση της αναντιστοιχίας πλέγματος στις ετεροδομές van der Waals WS2/γραφενίου. Διαπιστώσαμε ότι η παραμόρφωση επηρεάζει την ενέργεια δέσμευσης και την ηλεκτρονική δομή τους. Η μελέτη με DFT της σταθερότητας και της διάταξης των ηλεκτρονικών ζωνών σε τέτοιου είδους ετεροδομές παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές υπερ-κυψελίδες WS2/γραφενίου με διαφορετική αναντιστοιχία πλέγματος και ξεδιπλώνοντας την δομή των ηλεκτρονικών ζωνών τους, βρίσκουμε ότι η παραμόρφωση προκαλεί αξιοσημείωτες τροποποιήσεις των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων στο στρώμα WS2, όπως μεταβάσεις από άμεσο σε έμμεσο ενεργειακό χάσμα ζώνης. Επιπλέον, σε μια προσπάθεια να ερμηνεύσουμε πρόσφατα πειράματα, μελετήσαμε εξιτονικά φαινόμενα στο στρώμα WS2 χρησιμοποιώντας θεωρητικές μεθόδους που βασίζονται στην εξίσωση Bethe-Salpeter (BSE) για 2Δ υλικά. Τα εξιτονικά φάσματα που υπολογίζουμε είναι σε συμφωνία με πειραματικά δεδομένα και επηρεάζονται από την παραμόρφωση με τρόπο που συνάδει με φαινόμενα κβαντικού περιορισμού. Η θεωρητική κατανόηση των οποτηλεκτρονικών ιδιοτήτων των ετεροδομών WS2/γραφενίου συμπληρώνει τις πειραματικές εργασίες και παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για την διερεύνηση πιθανών εφαρμογών και συσκευών.
(EL)
Research in two-dimensional (2D) materials and van der Waals heterostructures gains enormous popularity across various scientific and engineering disciplines. Electrons in these materials can move in two dimensions but are confined in the out of plane direction, leading to some fascinating optoelectronic properties. In this direction of research, we present Density Functional Theory (DFT) results for the atomic and electronic structure of WS2 monolayer, graphene and WS2/graphene heterobilayer. We performed DFT calculations to investigate interlayer interactions and the effect of lattice mismatch in WS2/graphene van der Waals heterostructures. We found that strain affects their binding energy and electronic structure. Examining stability and band alignment in these heterostructures with DFT is quite challenging. By using different WS2/graphene supercells with different lattice mismatch and by unfolding their electronic band structure, we find that strain induces significant electronic properties modifications in the WS2 layer, such as direct to indirect band gap transitions. Furthermore, in an effort to interpret recent experiments, we studied exciton effects in WS2 monolayer using theoretical methods based on the Bethe-Salpeter equation (BSE) for 2D materials. Our excitonic spectra are in good agreement with experimental data and are affected by strain in a way which is consistent with confinement effects. Theoretical understanding of the optoelectronic properties of WS2/graphene heterostructures complements experimental works and provides a powerful tool for exploring potential applications and devices.
(EN)
University of Crete
