Μελέτη δομής ενεργειακών ζωνών, διδιάστατων υλικών, με συνδυασμό γωνιακώς εξαρτώμενης φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων (ARPES) και θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας (Density Functional Theory)

Abstract

Τα διδιάστατα υλικά αποτελούν αντικείμενο εκτενούς έρευνας καθώς εμφανίζουν μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, όπως μεταβολή του ενεργειακού χάσματος, συγκέντρωση φορέων φορτίου, αγωγιμότητα και μεταβολή στη δομή των ενεργειακών ζωνών. Τα διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων (Transition metal dichalcogenides, ΔΜΜ) είναι από τα περισσότερο διακεκριμένα υλικά για την ανάπτυξη διδιάστατων υλικών που πρόκειται να διαδεχθούν το γραφένιο υποσχόμενα νέες δυνατότητες. Στην εργασία αυτη γίνεται μελέτη των ενεργειακών ζώνων του 1Τ-ZrTe2 (διτελλουρίδιο Ζιρκονίου) μέσω της θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας (Density Functional Theory, DFT) και σε συνδυασμό με την γωνιακώς εξαρτώμενη φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων (Angled Resolved Photoelectron Spectroscopy, ARPES), με σκοπό την απόδειξη ότι είναι ημιμέταλλο Dirac. Η θεωρία του συναρτησιακού της πυκνότητας είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την μελέτη ιδιοτήτων σε συστήματα πολλών ηλεκτρονίων στην χαμηλότερη ενεργειακά τους κατάσταση. Η DFT απλοποιεί το προβλήμα των πολλών σωμάτων, περιγράφοντάς το μέσω της σωματιδιακής πυκνώτητας. Δίνοντας πληροφορίες για την κρυσταλλική δομή και το δυναμικό ανταλλαγής – συσχέτισης των ατόμων, πολλές φυσικές ιδιότητες μπορούν να προσδιόριστουν, όπως οι σταθέρες πλέγματος, οι θέσεις ισορροπίας των ατόμων μέσα στο κρύσταλλο ή και ενέργειες που συνδέονται με ελαττώματα ή παραμορφώσεις. Επιπλέον η DFT μπορεί να δώσει πληροφορία για την πυκνότητα του φορτίου, την σταθερότητα των δομών και φυσικά για τις δομές των ενεργειακών ζώνων. Συνεπώς, η DFT είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την μελέτη των ιδιοτήτων νέων υλικών, πριν την δημιουργεία τους πειραματικά ή ακόμα για να δώσει περαιτέρω εξηγήσεις σε πειραματικά δεδομένα που εμφανίστηκαν πρόσφατα κατά την μελέτη διδιάστατων υλικών, όπως το γραφένιο και τα ΔΜΜ, ή να εξηγήσει συμπεριφορές άλλων ελκυστικών υλικών όπως οι τοπολογικοί μονωτές και τα ημιμέταλλα Weyl και Dirac. Στα πρώτα δυο κεφάλαια της εργασίας, αναφέρονται βασικές έννοιες της φυσικής στερεάς κατάστασης όπως οι δομές των ενεργειακών ζωνών και η ζώνη Brillouin καθώς και ο ρόλος των διχαλκογενιδίων μεταβατικών μετάλλων ως διδιάστατα υλικά. Στο τρίτο και στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βασικές λειτουργίες των πειραματικών και των θεωρητικών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό των δομών του υλικού που μελετήθηκε σε αυτη την εργασία. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, πέρα από την παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων και την απόδειξει ότι το 1Τ-ZrTe2 είναι ημιμέταλλο Dirac, θα δούμε πως η DFT χρησιμοποιείται για αποδείξει πειραματικά αποτελέσματα, αλλά και για να δώσει περαιτέρω πληροφορίες. Για τις ανάγκες της έρευνας έγινε επιταξιακή ανάπτυξη 1T-ZrTe2 με την τεχνική της επιταξίας με μοριακές δέσμες (Molecular Beam Epitaxy, ΜΒΕ) και εκτελέστηκαν μετρήσεις με τις μεθόδους περίθλασης ανακλώμενων ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (Reflection High Energy Electron Diffraction - RHEED), φωτοηλεκτρονιακής φασματοσκοπίας ακτίνων Χ (X-ray Photoelectron Spectroscopy - XPS), σαρωτικής μικροσκόπιας σήραγγας (Scanning Tunneling Microscopy, STM), ARPES και DFT στο Εργαστήριο Επιτάξιας και Επιστήμης Επιφανείων στο Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος». Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό ACS Nano, το οποίο έχει δείκτη απήχησης (impact factor) 13,942.