Estudo ab initio dos materiais Van der Waals hidrogenados do grupo IV e dos calcogenetos metálicos III-IV

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 materiais hidrogenados do grupo IV, os calcogenetos metálicos MX (M = Ga, In; X = S, Se, Te) e seus materiais Janus M,XY (M = Ga, In; X = S, Se, Te; XY). Tais materiais têm potêncial para serem aplicados 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 (vdW). Neste trabalho apresentamos um estudo siste-mático, por meio do estado da arte em cálculos de primeiros princípios, das propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos materiais citados anteriormente. Na primeira parte deste trabalho, estudamos sistematicamente a evolução das propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos materiais hidrogenados do grupo IV, silicano, germanano e estanano, em função do número de camadas. Mostramos que a energia da esfoliação aumenta, em módulo, com o aumento do número atômico (Si ? Sn) do material do grupo IV. Cálculos de estrutura eletrônica adicionais mostram que o silicano de multicamadas é um material de band gap indireto (T-M), independente do número de camadas, enquanto o germanano e o estanano são semicondutores diretos de band gap (ponto F). Os espectros ópticos calculados mostram, para todos os sistemas, um desvio para o vermelho nas bordas de absorção e absorção aprimorada da luz visível para o plano (all). Nossos resultados também revelam que se as heteroestruturas de vdW forem construídas usando poucas camadas do grupo IV, esses materiais vdW são capazes de mostrar uma característica do tipo I ou do tipo Il - onde elétrons e buracos estarão localizados em materiais diferentes - e a transição do tipo I para o tipo-Il e, vice-versa, pode ser induzida pelo ajuste do número de camadas. Na segunda parte, investigamos sistematicamente as propriedades estruturais e eletrônicas dos materiais MX (bulk e 2D) e MXY. Os parâmetros de rede, tanto do bulk quanto do 2D estão em boa concordância com a literetura e que estes são próximos quando olhamos para o tipo de empilhamento. Cálculos de estrutura eletrônica mostram que quase todos sitemas MX possuem o band gap indireto, as exceções são os bulks do InS e InSe. As curvas de dispersão de fônons calculadas mostram que todos os materiais Janus são mecanicamente estáveis, apresentando as mesmas estruturas que suas contrapartes primitivas. Cálculos de estrutura eletrônica mostram que o material GaSSe é um semicondutor de gap indireto e o restante dos Janus são semicondutores de gap direto. Cálculos GW+Bethe-Salpeter, mostram baixas energias de ligação de éxciton. Os Janus estudados são bons candidatos para serem materiais fotocatalisadores. As heteroestrutu-ras são dinamicamente estáveis. Todas apresentam band gap indireto. Com exceção do GaSGaSe, as outras heteroestruturas apresentam alinhamento de banda do tipo II.

Abstract: Two-dimensional (2D) semiconductor materials have shown to be 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 hydrogenated materials of group IV, the metallic chalcogenides MX (M = Ga, In; X = S, Se, Te) and their Janus materials MXY (M = Ga, In; X = S, Se, Te; X+Y). Such materials have the potential to be applied in nanoelectronic and optical devices. However, little is known about the properties of these materials as a function of the number of layers, as they are van der Waals (vdW) materials. In this work we present a systematic study, through the state of the art in first principles calculations, of the structural, electronic and optical properties of the materials mentioned above. In the first part of this work, we systematically studied the evolution of the structural, electronic and optical properties of the hydrogenated materials of group IV, silicane, germanane and stannane, as a function of the number of layers. We show that the energy of exfoliation increases, in module, with increasing atomic number (Si ? Sn) of the group IV material. Additional electronic structure calculations show that multilayer silicane is an indirect band gap material (T-M), independent of the number of layers, while germanane and stannane are direct band gap ( point). The calculated optical spectra show, for all systems, a red shift at the edges of absorption and enhanced absorption of visible light for the plane (all). Our results also reveal that if vdW heterostructures are constructed using few group IV layers, these vdW materials are able to show a type 1 or type II characteristic - where electrons and holes will be located in different materials - and the transition from type I to type II and vice versa can be induced by adjusting the number of layers. In the second part, we systematically investigate the structural and electronic properties of MX (bulk and 2D) and M2XY materials. The lattice parameters of both bulk and 2D are in good agreement with the literature and that these are close when looking at the stacking type. Electronic structure calculations show that almost all MX systems have the indirect band gap, the exceptions are the InS and InSe bulks. The calculated phonon scattering curves show that all Janus materials are mechanically stable, showing the same structures as their primitive counterparts. Electronic structure calculations show that the material GaSSe is an indirect gap semiconductor and the rest of the Janus are direct gap semiconductors. The GW+Bethe-Salpeter calculations show low exciton binding energies. The Janus studied are good candidates to be photocatalyst materials. Heterostructures are dynamically stable. All have an indirect band gap. With the exception of GaSGaSe, the other heterostructures show type II band alignment.