Energie excitonů v dvojrozměrných heterostrukturách

• Název práce v češtině: Energie excitonů v dvojrozměrných heterostrukturách
• Název v anglickém jazyce: Energy of excitons in two-dimensional heterostructures
• Klíčová slova: Van der Waalsovy heterostruktury|monovrstvy|vícevrstvy|dichalkogenidy přechodných kovů|grafen|hexagonální nitrid boru|Rytova-Keldyshův potenciál|dielektrický screening|spektrum dvojrozměrných excitonů
• Klíčová slova anglicky: Van der Waals heterostructures|monolayers|multilayers|transition metal dichalcogenides|graphene|hexagonal boron nitride|Rytova-Keldysh potential|dielectric screening|a spectrum of two-dimensional excitons
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: Artur Slobodeniuk, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Pro úspěšnou studii je třeba znát a) základní elektrostatiku pro odvození potenciální energie mezi dvěma náboji v heterostruktuře; b) základní znalosti kvantové mechaniky, a to výpočet spektra atomu vodíku a variační princip. Znalosti numerických metod budou dobré i pro výše uvedenou studii.

Vyšetřování práce bude založeno na výpočtu elektrostatického potenciálu mezi dvěma náboji v kvazi-dvourozměrné heterostruktuře, jako funkce parametrů heterostruktury. Dalším krokem bude výpočet vazebných energií různých typů excitonů v uvažovaných heterostrukturách. Nakonec budou získané výsledky analyzovány za účelem předpovědi optických spekter heterostruktur jako funkce počtu vrstev a dalších parametrů studovaných heterostruktur.

Seznam odborné literatury

[1] Screened potential of a point charge in a thin film, N.S.Rytova, Proc.MSU, Phys.Astron.3, 308 (1967); https://arxiv.org/abs/1806.00976v2;

[2] Coulomb interaction in thin semiconductor and semimetal films, L.V.Keldysh, JETPLett.29,658 (1979); http://jetpletters.ru/ps/1458/article_22207.shtml;

[3] Dielectric screening in two-dimensional insulators: Implications for excitonic and impurity states in graphane, P.Cudazzo, I.V.Tokatly, and A.Rubio, Phys. Rev.B 84, 085406 (2011); https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.84.085406; https://arxiv.org/abs/1104.3346v1;

[4] Energy Spectrum of Two-Dimensional Excitons in a Nonuniform Dielectric Medium, M. R. Molas, et al, Phys. Rev. Lett. 123, 136801 (2019); https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.136801; https://arxiv.org/abs/1902.03962v2;

[5] Fine structure of K-excitons in multilayers of transition metal dichalcogenides, A.O.Slobodeniuk, et al, 2D Mater. 6, 025026 (2019); https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ab0776; https://arxiv.org/abs/1810.00623v1;

Předběžná náplň práce

Nedávno objevené dvourozměrné krystaly, jako je grafen, dichalkogenidy přechodných kovů nebo hexagonální nitrid boru, vykazují jedinečné fyzikální vlastnosti, které se odchylují od vlastností odpovídajících objemových krystalů.

Proto jsou takové dvourozměrné materiály dobrými kandidáty pro aplikace a potenciálně pro nová zařízení. Jedním z nejzajímavějších dvourozměrných krystalů jsou polovodivé monovrstvy dichalkogenidů přechodných kovů (TMD). Mají chemické složení MX_2, kde M je přechodový kov, jako W nebo Mo, zatímco X je chalkogen, jako S, Se nebo Te. TMD mají pozoruhodné optické vlastnosti pocházející z excitonů v těchto materiálech. Excitony jsou vázané stavy elektronu vodivého pásma a diru ve valenčním pásmu. Excitony mohou být generovány absorpcí světla krystalem. Opačný proces, při kterém elektron „padne“ na diru s vyzařováním fotonu, se nazývá rekombinace. Energie fotonů pro většinu TMD leží v oblasti viditelného světla. Díky tomu jsou tyto materiály dobrými kandidáty pro optické senzory nebo solární články. Energie odpovídajících fotonů, a tedy energie rekombinujících excitonů, jsou však pevné, což může být překážkou pro konstrukci nebo výrobu zařízení na optické bázi.

Existuje několik způsobů, jak naladit energii excitonů v TMD, např. kmenový nebo dielektrický screening v heterostrukturách. Heterostruktura je hromada monovrstev ze stejných nebo různých materiálů. Energie excitonů v heterostruktuře závisí na počtu vrstev a zůstává otevřenou teoretickou otázkou. Odvození energie excitonů v heterostrukturách jako funkce řady vrstev a dalších parametrů heterostruktury je hlavním cílem navrhované bakalářské práce.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Recently discovered two-dimensional crystals, like graphene, transition metal dichalcogenides, or hexagonal boron nitride demonstrate unique physical properties, which deviate from the properties of the corresponding bulk crystals.

Therefore such two-dimensional materials are good candidates for the applications and potentially for the new devices. One of the most intriguing two-dimensional crystals is semiconducting transition metal dichalcogenide monolayers (TMD). They have chemical composition MX_2, where M is transition metal, like W or Mo, while X is chalcogen, like S, Se, or Te. TMDs have remarkable optical properties, originating from the excitons in these materials. The excitons are the bound states of the electron of the conduction band and a hole in the valence band. The excitons can be generated by the absorption of light by the crystal. The opposite process, when the electron “falls“ on a hole with the emission of the photon is called recombination. The energy of the photons, for most of TMDs, lies in the region of visible light. It makes these materials good candidates for optical sensors or solar cells.
However, the energies of the corresponding photons, and hence the energies of the recombining excitons, are fixed, which can be an obstacle for the design or fabrication of the optical-based devices.

There are several ways to tune the energy of the excitons in TMDs, e.g. strain or dielectric screening in heterostructures. The heterostructure is the pile of monolayers of the same or different materials. The energy of the excitons in the heterostructure depends on the number of layers and remains the open theoretical question. The derivation of the energy of the excitons in heterostructures as a function of a number of layers and the other parameters of the heterostructure is the main goal of the proposed bachelor work.