Natureza e evolução das propriedades eletrônicas e ópticas de multicamadas de SnX2 (X=S, Se, Te)

Abstract

Resumo: Materiais semicondutores bidimensionais (2D) têm se mostrado como uma das grandes promessas para aplicações tanto na optoeletrônica quanto na nanoeletrônica. Dentro da grande família de materiais semicondutores bidimensionais, podemos destacar os dicalcogenetos de metais, cuja fórmula pode ser escrita como MX2 sendo que M é um metal, como o estanho (Sn) e X = S, Se ou Te. Tais materiais tem sido aplicados com sucesso em dispositivos nanoeletrônicos e óticos. Porém, pouco se sabe sobre as propriedades desses materiais em função do número de camadas, visto que são materiais van der Waals. Nesta dissertação apresentamos um estudo sistemático, por meio do estado da arte em cálculos de primeiros princípios, das propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos dicalcogenetos de estanho SnX2, X = S, Se e Te, em função do número de camadas. Analisamos como evolui a estrutura de bandas para cada sistema em função do número de camadas. Determinamos a composição orbital dos níveis de energia, onde através dessa análise é possível determinar os efeitos do confinamento quântico de mais de uma camada empilhada. Além disso, determinamos a evolução do gap de energia e do alinhamento dos níveis de valência e condução em função do nível de vácuo. Tal informação é de suma importância quando tais sistemas são utilizados como elementos ativos em nanodispositivos, pois com essa informação podemos inferir as barreiras de contato e como controlá-las. Finalmente as propriedades ópticas das multicamadas de SnX2, foram investigadas por meio do cálculo da função dielétrica dependente da frequência. Os dicalcogenetos de estanho se mostram bons absorvedores óticos na região do visível, logo tem grande potencial para aplicações em células solares.

Abstract: Two-dimensional semiconductor materials (2D) has been shown as one of the great promises for applications in both optoelectronics and nanoelectronics. Within the large family of two-dimensional semiconductor materials, we can highlight the metal dichalcogenides, whose formula can be written as MX2 where M is a metal, as tin (Sn) and X = S, Se or Te. Such materials have been applied successfully in nanoelectronic and optical devices. However, little is known about the properties of these materials as a function of the number of layers, since they are van der Waals materials. In this dissertation we present a systematic study, through the state of the art of first principles calculation, of the structural, electronic and optical properties of tin dichalcogenides, SnX2, X = S, Se and Te, as function of the number of layers. We analyze how the band structure behaves as a function of the number of layers. We also discuss the electronic properties with respect to the orbital composition of the energy levels, where through this analysis it is possible to determine the effects of more than one stacked layer. Moreover, we determine the evolution of the energy gap and alignment of the conduction and valence levels as a function of the vacuum level. Such information is of paramount importance when such systems are used as active elements in nanodevices. With this information we can infer the contact barriers and how to control them. Finally, the optical properties of the multilayer SnX2, were investigated by calculating the frequency-dependent dielectric function. Tin dichalcogenide have shown itself as good optical absorbers in the region of the visible light, therefore has great potential for applications in solar cells.