Elektronické a optické vlastnosti polovodivých MXenů

Nilesh KUMAR

Doctoral thesis

Electronic and optical properties of semiconducting MXenes

Abstract:

Karbidy přechodných kovů (MXeny) jsou vzrušující třídou dvourozměrných (2D) materiálů se slibnými optoelektronickými a elektrickými vlastnostmi. Tato práce zkoumá pozoruhodné vlastnosti polovodivých MXenů použitím přesných mnohočásticových metod za rámcem teorie funkcionálu hustoty. V první části je navržena u MXenu Ti3C2 terminovaného kyslíkem fáze excitonického izolátoru. Důkladným vyšetřením jeho nepřímé kvazičásticové pásové struktury a porovnáním fundamentálního zakázaného pásu a nepřímé vazebné energie excitonu můžeme tuto fázi rozpoznat a charakterizovat. Dále je zkoumána stabilita této fáze při různých dvouosých deformacích tahem a tlakem. Energetické oblasti aktivní při optické absorpci a jejich povaha byly vyšetřeny v závislosti na mechanické namáhání, což více poodkrylo excitonickou aktivitu tohoto MXenu. Předmětem druhé části práce jsou dva polovodičové MXeny terminované kyslíkem na bázi hafnia, Hf3C2O2 a Hf2CO2. Pomocí mnohočásticových výpočtů znovu prokazujeme jejich polovodičové chování, odhalujeme fundamentální a optické zakázané pásy a ukazujeme jejich dynamickou stabilitu. Studujeme vazebné energie excitonu, absorpční spektra a různé excitonické stavy s cílem nalézt zajímavé absorpční motivy v rozsahu vlnových délek viditelného a infračerveného záření. Výsledky jejich radiačních dob života demonstrují jejich potenciální využití v mnoha různých oblastech.

Abstract:

Transition metal carbides (MXenes) are an exciting class of two-dimensional (2D) materials with promising optoelectronic and electrical features. This thesis explores the remarkable properties of semiconducting MXenes using accurate many-body methods beyond the density functional theory framework. The oxygen-terminated Ti3C2 MXene's excitonic insulator phase is suggested in the first section. By a thorough investigation of its indirect quasiparticle band structure and the comparison between the fundamental bandgap and the momentum-indirect excitonic binding energy, we can recognize and characterize this phase. Furthermore, this phase's stability under various compressive and tensile biaxial strains is examined. We investigate the strain-dependent nature of the optical absorption energy area, which sheds light on this particular MXene's excitonic activity. Two semiconducting oxygen-terminated Hf-based MXenes, Hf3C2O2 and Hf2CO2, are the subject of the second section. Using many-body calculations, we reconcile their semiconducting behavior, unveil fundamental and optical gaps, and show their dynamical stability. Exciton binding energies, absorption spectra, and different excitonic states are studied in order to find interesting absorptance patterns in the visible and infrared wavelength ranges. The results of their radiation lifetimes demonstrate its potential uses in many different domains.

Keywords

Polovodiˇce, 2D materiály, MXeny, elektronické vlastnosti, optické vlastnosti, exciton, teorie funkcionálu hustoty (DFT), kvaziˇcásticový zakázaný pás, mnohoˇcásticové metody, GW aproximace, Betheho-Salpeterova rovnice, absorpˇcní spektra

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 7. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. František Karlický, Ph.D., Mgr. František Karlický, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Applied Physics / Biofyzika