Theoretical study of two-dimensional nanostructures

Abstract

In this work, we perform density functional theory (DFT) calculations for the atomic and electronic structure of defected Two-dimensional (2D) nanostructures, heterostructures consisting of combinations of Transition Metal Dichalcogenide (TMD) monolayers (MLs), Graphene (Gr), and other materials. Due to the large size of the simulation cells required, DFT calculations are very demanding and the results need careful interpretation using non-trivial computational tools. We present in detail the methods we develop for the construction of optimized simulation cells and for unfolding the electronic band structures from their Brillouin Zone (BZ). The effective band structure (EBS) produced allows for a clear and direct comparison between electronic properties of 2D defected nanostructures and heterostructures with their pristine or constituent MLs. Applying our methodology to Gr/TMD and TMD/TMD heterostructures, several experimental observations are explained and predictions are made. Our methodology also proves very useful in investigating defects and adsorption on 2D MLs. In conjunction with experiments, our DFT calculations show how n-doped WSe2 ML becomes a p-doped semiconductor via photochlorination. In another synergy with experiment, our DFT calculations show that Fe-vacancies in Fe2Se2 MLs give rise to a stretched lattice at a relatively low energy cost. Finally, we present our theoretical results for hydrogen adsorption on CuCo2S4/Ni2P heterostructure within another collaboration with experimentalists. Our DFT-based studies with the methodology we developed for building simulations and interpreting electronic band structures, combined with data from experiments, besides explaining observed phenomena, provide a general framework for making predictions which should be useful in future experiments and applications.

Σε αυτή την διατριβή, εκτελούμε υπολογισμούς με τη θεωρία συναρτησιακού πυκνότητας (DFT) για την ατομική και ηλεκτρονική δομή δισδιάστατων (2D) νανοδομών με ατέλειες, ετεροδομών που αποτελούνται από συνδυασμούς μονοστρωματικών (ML) διχαλκογενιδίων μετάλλων μετάπτωσης (TMD), γραφενίου (Gr) και άλλων υλικών. Λόγω του μεγάλου μεγέθους των απαιτούμενων κυψελίδων, οι υπολογισμοί DFT είναι πολύ απαιτητικοί και τα αποτελέσματα χρειάζονται προσεκτική ερμηνεία με τη χρήση μη τετριμμένων υπολογιστικών εργαλείων. Παρουσιάζουμε λεπτομερώς τις μεθόδους που αναπτύσσουμε για την κατασκευή βελτιστοποιημένων κυψελίδων και για το ξεδίπλωμα των δομών ηλεκτρονικών ζωνών από τη ζώνη Brillouin (BZ) τους. Η ενεργός δομή ζωνών (EBS) που παράγεται επιτρέπει μια σαφή και άμεση σύγκριση μεταξύ των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των 2D νανοδομών με ατέλειες και των ετεροδομών με τις αρχικές ή τα ML που τις αποτελούν. Εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία μας σε ετεροδομές Gr/TMD και TMD/TMD, εξηγούνται διάφορες πειραματικές παρατηρήσεις και γίνονται προβλέψεις. Η μεθοδολογία μας αποδεικνύεται επίσης πολύ χρήσιμη στη διερεύνηση ατελειών και προσρόφησης σε 2D ML. Σε συνδυασμό με τα πειράματα, οι υπολογισμοί μας με DFT δείχνουν πώς το WSe2 ML με προσμίξεις n-τύπου μετατρέπεται σε ημιαγωγό με προσμίξεις p-τύπου μέσω φωτοχλωρίωσης. Σε μια άλλη συνέργεια με το πείραμα, οι υπολογισμοί μας με DFT δείχνουν ότι οι κενές θέσεις Fe σε ML Fe2Se2 προκαλούν διαστολή στο πλέγμα με σχετικά χαμηλό ενεργειακό κόστος. Τέλος, παρουσιάζουμε τα θεωρητικά μας αποτελέσματα για την προσρόφηση υδρογόνου στην ετεροδομή CuCo2S4/Ni2P στο πλαίσιο μιας άλλης συνεργασίας με πειραματικούς. Οι μελέτες μας με βάση την DFT με τη μεθοδολογία που αναπτύξαμε για την διεξαγωγή προσομοιώσεων και την ερμηνεία των δομών ηλεκτρονικών ζωνών, σε συνδυασμό με δεδομένα από πειράματα, εκτός από την εξήγηση των παρατηρούμενων φαινομένων, παρέχουν ένα γενικό πλαίσιο για την πραγματοποίηση προβλέψεων που θα είναι χρήσιμες σε μελλοντικά πειράματα και εφαρμογές.