ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ВОЗБУЖДЕНИЙ В ОДНОЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ ПНИКТИДОВ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования 3
Положения, выносимые на защиту 7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
Список литературы 23
Актуальность темы исследования 3
Положения, выносимые на защиту 7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
Список литературы 23
Актуальность темы исследования
Со времен открытия графена и обнаружения его уникальных свойств, двумерные материалы привлекают к себе все больше внимания со стороны исследователей. Такой интерес обусловлен тем, что при переходе к пониженной размерности в материалах наблюдаются качественные изменения в их химических и физических свойствах. В двумерных материалах распространение носителей заряда, тепла и света ограничено в плоскости, что приводит к значительным изменениям их электронных и оптических свойств. Семейство двумерных материалов достаточно разнообразно и имеет в своем составе большинство элементов периодической таблицы, что обуславливает широкое разнообразие электронных свойств. В их числе металлы, полуметаллы, изоляторы, полупроводники с прямой и непрямой запрещенной щелью в диапазонах от ультрафиолетового до инфракрасного. Более того, двумерные структуры обладают отличной сочетаемостью с современными способами производства тонких пленок в полупроводниковой индустрии, что может способствовать интеграции двумерных материалов с традиционными электронными материалами. Таким образом, двумерные структуры могут сыграть большую роль в составе будущих устройств нано- и оптоэлектроники.
Среди множества двумерных соединений можно выделить одноэлементные двумерные материалы. Они привлекают к себе огромное внимание тем, что обладают неординарными электронными, оптическими, магнитными и химическими свойствами в отличие от своих объемных вариантов. Среди таких материалов актуальными являются одноэлементные двумерные соединения на основе пниктидов (элементы подгруппы азота периодической таблицы). К ним относятся, среди прочих, двумерные черный фосфор и сурьма. Свойства двумерного черного фосфора высокоанизотропны и сильно зависят от количества слоев в соединении. Было показано, что при комнатной температуре проводимость носителей заряда двумерного черного фосфора достигает 1000 см2 В-1 с-1 [1]. Все это делает его перспективным для устройств электроники и оптоэлектроники. Двумерная сурьма отличается высокой структурной стабильностью. Среди отличительных свойств данного материала можно выделить наличие сильного спин-орбитального взаимодействия, что дает дополнительную возможность контроля его свойств. Наиболее ярко эффекты пониженной размерности проявляют себя в картине элементарных возбуждений. В частности, при переходе к двумерной структуре, значительные изменения претерпевает колебательный спектр, в котором происходит разделение акустических ветвей на две внутриплоскостные и внеплоскостную с квадратичным законом дисперсии. Аналогичную ситуацию можно наблюдать в картине плазмонных возбуждений, возникающих за счет колебаний электронной плотности в материале. Переход к двумерной размерности приводит к появлению акустической плазмонной ветви с законом дисперсии ш(д) ~ ^д, в то время как в объемных кристаллах плазмонная дисперсия ведет себя как ш(д) ~ ^мр + д2 с конечной плазмонной частотой шр при д = 0.
Таким образом, представляется актуальным проведение теоретических исследований плазмонных и фононных элементарных возбуждений в двумерном черном фосфоре и двумерной сурьме. В настоящее время имеются достаточно разработанные методы компьютерного моделирования, которые позволяют осуществить вышеизложенные задачи за адекватное время и с хорошей точностью.
Степень разработанности темы исследования
В настоящее время изучению двумерных материалов уделяется большое внимание. Наиболее известным и исследуемым двумерным материалом является графен, структурно представляющий из себя атомный слой графита. Помимо графена, достаточно широко исследуемым материалом является двумерный черный фосфор. Сильная зависимость электронных свойств от количества слоев, а также высокая анизотропия привела к росту количества публикаций, касающихся изучения свойств данного материала. Однако, оптические свойства двумерного черного фосфора были изучены лишь в длинноволновом приближении с использованием низкоэнергетических гамильтонианов. Структурная стабильность также является одним из важных моментов для применения двумерных материалов в практике. На данный момент исследована динамика решетки свободного двумерного черного фосфора, ее зависимость от количества слоев, растяжения и сжатия. Однако, необходимо обратить внимание на стабильность данного материала в условиях адсорбции поверхностью различных атомов, встречающихся в большом количестве в окружающей среде.
По сравнению с двумерным черным фосфором, интерес к двумерной сурьме стал расти относительно недавно, хотя ее свойства и наличие сильного спин-орби- тального взаимодействия делают этот материал перспективным для использования в устройствах оптоэлектроники. В настоящий момент для этих материалов стали появляться хорошие модельные приближения, позволяющие с высокой точностью теоретически рассчитать более широкий спектр электронных свойств данных соединений и выйти за рамки широко используемой теории функционала плотности...
Со времен открытия графена и обнаружения его уникальных свойств, двумерные материалы привлекают к себе все больше внимания со стороны исследователей. Такой интерес обусловлен тем, что при переходе к пониженной размерности в материалах наблюдаются качественные изменения в их химических и физических свойствах. В двумерных материалах распространение носителей заряда, тепла и света ограничено в плоскости, что приводит к значительным изменениям их электронных и оптических свойств. Семейство двумерных материалов достаточно разнообразно и имеет в своем составе большинство элементов периодической таблицы, что обуславливает широкое разнообразие электронных свойств. В их числе металлы, полуметаллы, изоляторы, полупроводники с прямой и непрямой запрещенной щелью в диапазонах от ультрафиолетового до инфракрасного. Более того, двумерные структуры обладают отличной сочетаемостью с современными способами производства тонких пленок в полупроводниковой индустрии, что может способствовать интеграции двумерных материалов с традиционными электронными материалами. Таким образом, двумерные структуры могут сыграть большую роль в составе будущих устройств нано- и оптоэлектроники.
Среди множества двумерных соединений можно выделить одноэлементные двумерные материалы. Они привлекают к себе огромное внимание тем, что обладают неординарными электронными, оптическими, магнитными и химическими свойствами в отличие от своих объемных вариантов. Среди таких материалов актуальными являются одноэлементные двумерные соединения на основе пниктидов (элементы подгруппы азота периодической таблицы). К ним относятся, среди прочих, двумерные черный фосфор и сурьма. Свойства двумерного черного фосфора высокоанизотропны и сильно зависят от количества слоев в соединении. Было показано, что при комнатной температуре проводимость носителей заряда двумерного черного фосфора достигает 1000 см2 В-1 с-1 [1]. Все это делает его перспективным для устройств электроники и оптоэлектроники. Двумерная сурьма отличается высокой структурной стабильностью. Среди отличительных свойств данного материала можно выделить наличие сильного спин-орбитального взаимодействия, что дает дополнительную возможность контроля его свойств. Наиболее ярко эффекты пониженной размерности проявляют себя в картине элементарных возбуждений. В частности, при переходе к двумерной структуре, значительные изменения претерпевает колебательный спектр, в котором происходит разделение акустических ветвей на две внутриплоскостные и внеплоскостную с квадратичным законом дисперсии. Аналогичную ситуацию можно наблюдать в картине плазмонных возбуждений, возникающих за счет колебаний электронной плотности в материале. Переход к двумерной размерности приводит к появлению акустической плазмонной ветви с законом дисперсии ш(д) ~ ^д, в то время как в объемных кристаллах плазмонная дисперсия ведет себя как ш(д) ~ ^мр + д2 с конечной плазмонной частотой шр при д = 0.
Таким образом, представляется актуальным проведение теоретических исследований плазмонных и фононных элементарных возбуждений в двумерном черном фосфоре и двумерной сурьме. В настоящее время имеются достаточно разработанные методы компьютерного моделирования, которые позволяют осуществить вышеизложенные задачи за адекватное время и с хорошей точностью.
Степень разработанности темы исследования
В настоящее время изучению двумерных материалов уделяется большое внимание. Наиболее известным и исследуемым двумерным материалом является графен, структурно представляющий из себя атомный слой графита. Помимо графена, достаточно широко исследуемым материалом является двумерный черный фосфор. Сильная зависимость электронных свойств от количества слоев, а также высокая анизотропия привела к росту количества публикаций, касающихся изучения свойств данного материала. Однако, оптические свойства двумерного черного фосфора были изучены лишь в длинноволновом приближении с использованием низкоэнергетических гамильтонианов. Структурная стабильность также является одним из важных моментов для применения двумерных материалов в практике. На данный момент исследована динамика решетки свободного двумерного черного фосфора, ее зависимость от количества слоев, растяжения и сжатия. Однако, необходимо обратить внимание на стабильность данного материала в условиях адсорбции поверхностью различных атомов, встречающихся в большом количестве в окружающей среде.
По сравнению с двумерным черным фосфором, интерес к двумерной сурьме стал расти относительно недавно, хотя ее свойства и наличие сильного спин-орби- тального взаимодействия делают этот материал перспективным для использования в устройствах оптоэлектроники. В настоящий момент для этих материалов стали появляться хорошие модельные приближения, позволяющие с высокой точностью теоретически рассчитать более широкий спектр электронных свойств данных соединений и выйти за рамки широко используемой теории функционала плотности...
Основные результаты и выводы диссертации
1) Проведено первопринципное исследование двумерного черного фосфора в присутствии типичных одновалентных (водород, фтор) примесей. Результаты моделирования показывают, что при одностороннем и двустороннем покрытии двумерного черного фосфора атомами водорода и фтора происходит его разложение на слабо связанные одномерные цепочки. Несмотря на достаточно большое значение запрещенной зоны (2.29 эВ), покрытый с двух сторон атомами водорода двумерный черный фосфор является структурно неустойчивым. Однако, при полном покрытии атомами фтора, двумерный черный фосфор становится структурно устойчивым соединением с шириной запрещенной зоны 2.27 эВ.
2) Проведено исследование диэлектрического экранирования в двумерном черном фосфоре. Показано, что рассчитанная диэлектрическая функция сильно анизотропна. Также была оценена сила эффективных локальных и нелокальных кулоновских взаимодействий и их зависимость от концентрации допированных носителей заряда. Был рассчитан спектр плазмонных возбуждений двумерного черного фосфора и произведена классификация различных типов возбуждений.
3) Изучены оптические свойства монослоя сурьмы при характерных концентрациях допированных электронов и при варьировании приложенного напряжения смещения. Обнаружено, что спиновое расщепление приводит к появлению нового типа плазмонных возбуждений с отрицательной дисперсией. Эти возбуждения находятся в среднем инфракрасном диапазоне и чувствительны к величине приложенного напряжения.
4) Изучена зависимость фононных характеристик и параметра решетки от температуры для двумерного черного фосфора и двумерной сурьмы в рамках подхода классической молекулярной динамики. Было обнаружено, что учет ангармо- низма в двумерной сурьме и двумерном черном фосфоре приводит к уменьшению частот фононных колебаний по всей зоне Бриллюэна. Оптическая часть спектра претерпевает большие изменения по сравнению с акустической частью в обоих случаях. Также было показано, что с увеличением температуры параметры решетки двумерного черного фосфора увеличиваются, в то время как параметр решетки двумерной сурьмы уменьшается.
Перспективы дальнейшей разработки темы
В дальнейшем планируется провести изучение тепловых и термодинамических характеристик двумерных материалов, рассмотренных в данной диссертации, используя как первопринципные методы, так и методы классической молекулярной динамики. Также планируется провести исследование электронных и оптических свойств других перспективных двумерных материалов.
1) Проведено первопринципное исследование двумерного черного фосфора в присутствии типичных одновалентных (водород, фтор) примесей. Результаты моделирования показывают, что при одностороннем и двустороннем покрытии двумерного черного фосфора атомами водорода и фтора происходит его разложение на слабо связанные одномерные цепочки. Несмотря на достаточно большое значение запрещенной зоны (2.29 эВ), покрытый с двух сторон атомами водорода двумерный черный фосфор является структурно неустойчивым. Однако, при полном покрытии атомами фтора, двумерный черный фосфор становится структурно устойчивым соединением с шириной запрещенной зоны 2.27 эВ.
2) Проведено исследование диэлектрического экранирования в двумерном черном фосфоре. Показано, что рассчитанная диэлектрическая функция сильно анизотропна. Также была оценена сила эффективных локальных и нелокальных кулоновских взаимодействий и их зависимость от концентрации допированных носителей заряда. Был рассчитан спектр плазмонных возбуждений двумерного черного фосфора и произведена классификация различных типов возбуждений.
3) Изучены оптические свойства монослоя сурьмы при характерных концентрациях допированных электронов и при варьировании приложенного напряжения смещения. Обнаружено, что спиновое расщепление приводит к появлению нового типа плазмонных возбуждений с отрицательной дисперсией. Эти возбуждения находятся в среднем инфракрасном диапазоне и чувствительны к величине приложенного напряжения.
4) Изучена зависимость фононных характеристик и параметра решетки от температуры для двумерного черного фосфора и двумерной сурьмы в рамках подхода классической молекулярной динамики. Было обнаружено, что учет ангармо- низма в двумерной сурьме и двумерном черном фосфоре приводит к уменьшению частот фононных колебаний по всей зоне Бриллюэна. Оптическая часть спектра претерпевает большие изменения по сравнению с акустической частью в обоих случаях. Также было показано, что с увеличением температуры параметры решетки двумерного черного фосфора увеличиваются, в то время как параметр решетки двумерной сурьмы уменьшается.
Перспективы дальнейшей разработки темы
В дальнейшем планируется провести изучение тепловых и термодинамических характеристик двумерных материалов, рассмотренных в данной диссертации, используя как первопринципные методы, так и методы классической молекулярной динамики. Также планируется провести исследование электронных и оптических свойств других перспективных двумерных материалов.
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ВОЗБУЖДЕНИЙ В ОДНОЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ ПНИКТИДОВ
