20173

۲۰۱۷۳

تغيير خواص الكترونيكي مواد دوبعدي با استفاده از كرنش

دكتري

فيزيك حالت جامد

۱۳۹۷/۱۲/۴

دكتر افشين نميرانيان

فيزيك

بهره برداري كامل از قابليت هاي ارائه شده توسط خواص نوين مواد دو بعدي نيازمند رويكردهاي جديد فناورانه است. يك رويكرد اميدواركننده، استفاده از حساسيت شديد ناشي از ابعاد كوچك اين مواد به نيروهاي مكانيكي خارجي و كرنش است. استفاده از ظرفيت فراهم شده توسط اين روش به شناخت آثار كرنش در مواد دو بعدي مختلف وابسته است. براي مثال، كرنش در گرافين براي غلبه بر نسبت محدود سوئيچ خاموش/روشنِ ناشي از نبود پس تابش و انرژي گاف مناسب است. اين در حالي است كه در مورد دسته اي ديگر از مواد دو بعدي، كالكوژنايدهاي فلزات واسطه، به دليل برهم كنش مناسب نور-ماده، كرنش براي اصلاح خواص اپتيكي بسيار مناسب است. در اين رساله به بررسي اثر كرنش درون-صفحه بر خواص الكترونيكي و اپتيكي شبكه هاي دولايه و هيبريدي مبتني بر گرافين و تك لايه ي كالكوژنايدهاي فلزات واسطه مي پردازيم. نشان خواهيم داد كه اين خواص به ميزان چشم گيري با تغييرات ساختار شبكه ي مواد دو بعدي مورد مطالعه تغيير مي كند و امكان بهره برداري فناورانه را در اين مواد براي دستگاه هاي الكترونيكي و حسگرهاي مبتني بر كرنش فراهم مي كند. بر اساس محاسبات تئوري تابعي چگاليِ ما بر روي تغييرات ناشي از كرنشِ خواص الكترونيكي ابرشبكه هاي همساختِ گرافين دولايه ي چرخيده و گرافين/بورون نايترايد، در مي يابيم كه براي هر دو شبكه، تركيب چند درصدي كرنش درون-صفحه اي و ساختارهاي مُوره، منجر به جابجايي قابل توجه دره ها، مدولاسيون انرژي گاف و افزايش بهنجارش سرعت فرميِ ناشي از زيرلايه مي شود. جالب اينكه، در هنگام اعمالِ كرنش درون-صفحه اي نامتقارن بر گرافين/بورون نايترايد، براي هر جهت دلخواه كرنش، جهت زيگزاگِ گرافين، جهت مرجح ترابردي مي شود. علاوه بر اين، محاسبات ما نشان مي دهد كه براي كرنش هاي مركبِ بزرگ، گرافين دولايه ي چرخيده، گذار مستقيم-نامستقيمِ انرژي گاف را به نمايش مي گذارد. در كالكوژنايدهاي فلزات واسطه، محاسبات ما نشان مي دهد كه تغييرات ناشي از كرنش در پهناي خط طيف جذبي به تغيير نسبي انرژي حالات اكسيتوني وابسته است. نتايج نظري ما، مشاهدات تجربي اخير مبني بر تغييرات متمايز پهناي خطوط اكسيتوني كالكوژنايدهاي فلزات واسطه در دماي اتاق را به خوبي توضيح مي دهد. بعلاوه، ما رفتار پهناي خط تشديدهاي اكسيتوني را تحت كرنش فشاري و در دماهاي پايين نيز پيش بيني مي كنيم. واژه هاي كليدي: مواد دو بعدي، ساختارهاي مُوره، كرنش، خواص الكترونيكي و اپتيكي

1397/12/18

Strain-induced modulation of electronic properties of 2D materials

3/9/2019 12:00:00 AM

New technological approaches are needed to exploit the full potential offered by the emergent novel properties of 2D materials. A promising technological approach is the application of the high sensitivity of these materials to external mechanical forces and strains due to their low dimensionality. However, the knowledge of the strain-induced effects on diverse 2D materials is crucial for the utilization of the opportunity offered by this approach. In particular, strain is suitable to overcome the limited on-off ratio driven by lack of backscattering and bandgap in graphene. Whilst, for another group of 2D materials, transition metal dichalcogenides (TMDs), strain is best suitable for tailoring the optical properties due to their efficient light-matter interaction. In this dissertation, we investigate the impacts of in-plane strain on optical and electronic properties of graphene-based hetero- and twisted bilayers along with TMDs. We show that these properties enormously change with regard to the distortion of the lattice structures and provide access toward the technological application of these materials in the development of strain-based electronic devices and sensors. Based on our DFT computations on the strain-induced modifications of the electronic properties of commensurate twisted bilayer graphene (TBG) and graphene/hexagonal boron nitride (G/hBN) superlattices, we found that for both lattices the interplay of few percents in-plane strains and moire pattern leads to considerable valley drifts, band gap modulation and enhancement of the substrate-induced Fermi velocity renormalization. Interestingly, when applying in-plane non-equibiaxial strains to G/hBN superlattices, regardless of the strain alignment, the graphene zigzag direction becomes more efficient for electronic transport. Moreover, our calculations show that for large mixed strains TBG superstructures demonstrate direct-indirect bandgap transition. Our calculations show that for TMDs the strain-induced changes of the linewidth of the absorption spectra are due to the changes in the relative spectral position of excitonic states. Our theoretical results explain well the observed partially opposite changes in the excitonic linewidth of different TMDs at room temperature. Furthermore, we predict the linewidth behavior of excitonic resonances when applying compressive strain and at low temperatures. Keywords: 2D materials, Moire patterns, Strain, Electronic and optical properties