Μελέτη δομής ενεργειακών ζωνών, διδιάστατων υλικών, με συνδυασμό γωνιακώς εξαρτώμενης φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων (ARPES) και θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας (Density Functional Theory)
On electronic band structure of 2D materials, combining angle resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) and density functional theory (DFT)
Keywords
Διδιάστατα υλικά ; Ενεργειακές ζώνες ; DFT ; ARPES ; ZrTe2 ; Dirac Semimetal ; Density functional theory ; Θεωρία συναρτησιακού της πυκνότητας ; Φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ; Dirac semimetalAbstract
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.
Abstract
Two-dimensional materials are extensively researched as they exhibit unique physical and chemical properties, such as energy gap change, load carrier concentration, conductivity, and change in the structure of energy bands. Transition metal dichalcogenides (TMDs) are among the most distinguished materials for the development of two-dimensional materials to succeed graphene promising new possibilities. In this work, the energy bands of 1T-ZrTe2 (zirconium ditelluride) are studied by means of Density Functional Theory (DFT) in combination with the Angled Resolved Photoelectron Spectroscopy (ARPES), to prove that it’s a Dirac semimetal.
Density functional theory is the most effective method for studying properties in many electron systems at their lower energy state. DFT simplifies the many-body problem by describing it through particle density. By giving information about the crystalline structure and the exchange-correlation potential, many physical properties can be defined, such as lattice constants, equilibrium positions of atoms within the crystal, or actions associated with defects or deformations. In addition, the DFT can provide information on the charge density, the stability of the structures and of course for the energy band.
Therefore, DFT is a powerful tool for studying the properties of new materials before they are experimentally created, or to give further explanation on experimental data that recently encountered in the study of two-dimensional materials such as graphene and TMDs, or to explain behaviors of other attractive materials such as topological insulators and Weyl and Dirac semimetals. In the first two chapters, basic concepts of solid state physicsl are identified, such as the energy band structures and the Brillouin zone, as well as the role of transition metal dichalcogenides as two-dimensional materials.
The third and the forth chapter describes the basic functions of the experimental and theoretical methods used to develop and characterize the structures of the material studied in this work. Finally, in the fifth chapter, in addition to presenting the experimental results and demonstrating that 1T-ZrTe2 is a Dirac semimetal, we will see how DFT is used to demonstrate experimental results but also to provide further information.
For research purposes, 1T-ZrTe2 epitaxial growth was carried out using the Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique and measurements were performed using Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED), X-ray photoelectron spectroscopy Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Tunneling Microscopy (STM), ARPES and DFT in the “Molecular Beam Epitaxy” Laboratory at the Nanoscience and Nanotechnology Institute of NCSR "Demokritos". The results of this research were published in the ACS Nano scientific journal, which has an impact factor of 13,942.
Number of pages
101Faculty
Σχολή Τεχνολογικών ΕφαρμογώνAcademic Department
Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.Language
GreekCollections
The following license files are associated with this item:
Except where otherwise noted, this item's license is described as
Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα
Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα