Publicação

Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements

Ver documento

Detalhes bibliográficos
Resumo:Group VI elemental 2D materials have been predicted to possess promising properties in electronics, optoelectronics, thermoelectricity, sensors, and detectors[1–5]. In this thesis, we present the electronic and optical properties of square selenene (s-Se), a 2D allotrope of selenium. We start by calculating the electronic properties using Density Functional Theory (DFT). These ab initio calculations show the formation of an anisotropic cone with semi-Dirac dispersion in a non-symmetric point, denoted P1, in the Brillouin zone, which forms a narrow gap (∼0.1 eV) due to spin-orbit coupling (SOC). Then, we uncover an intricate reciprocal space spin texture along the Brillouin zone, with spin-momentum locking around P1. To conclude the DFT calculations, we show the existence of edge states in two types of s-Se nanoribbons, with one of them presenting topologically non-trivial features, which are confirmed in other works[1,6]. We then replicate a k⋅p Hamiltonian, for the band structure around P1, from the literature[1] and add various SOC terms to obtain an effective model that describes the band structure data from fully relativistic DFT calculations and qualitatively reproduces the spin texture in reciprocal space. Using this effective model, we describe the exciton formation in the Dirac-like cone gap using the variational method while considering an anisotropic version of the Rytova-Keldysh potential[7]. This analysis provides a first characterisation of the exciton ground-state in square selenene, describing its binding energy (Eb=-24 meV) and wavefunction, which, to the best of our knowledge, have not been previously reported.
Autores principais:Marinho, André Mendes
Assunto:2D elemental materials Density functional theory calculations Semi-Dirac materials Edge states Effective Hamiltonian Excitons Variational method Anisotropy effects Materiais elementares bidimensionais Density Functional Theory Estados de borda Hamiltoniano efetivo Excitões Método variacional Efeitos de anisotropia Ciências Naturais::Ciências Físicas
Ano:2025
País:Portugal
Tipo de documento:dissertação de mestrado
Tipo de acesso:acesso aberto
Instituição associada:Universidade do Minho
Idioma:português
Origem:RepositóriUM - Universidade do Minho
_version_ 1879253891986489344
author Marinho, André Mendes
author_facet Marinho, André Mendes
author_role author
contributor_name_str_mv Ribeiro, R. M.
Peres, N. M. R.
Universidade do Minho
country_str PT
creators_json_txt [{\"Person.name\":\"Marinho, André Mendes\"}]
datacite.contributors.contributor.contributorName.fl_str_mv Ribeiro, R. M.
Peres, N. M. R.
Universidade do Minho
datacite.creators.creator.creatorName.fl_str_mv Marinho, André Mendes
datacite.date.Accepted.fl_str_mv 2025-11-27T00:00:00Z
datacite.rights.fl_str_mv http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
datacite.subjects.subject.fl_str_mv 2D elemental materials
Density functional theory calculations
Semi-Dirac materials
Edge states
Effective Hamiltonian
Excitons
Variational method
Anisotropy effects
Materiais elementares bidimensionais
Density Functional Theory
Estados de borda
Hamiltoniano efetivo
Excitões
Método variacional
Efeitos de anisotropia
Ciências Naturais::Ciências Físicas
datacite.titles.title.fl_str_mv Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
dc.contributor.none.fl_str_mv Ribeiro, R. M.
Peres, N. M. R.
Universidade do Minho
dc.creator.none.fl_str_mv Marinho, André Mendes
dc.date.Accepted.fl_str_mv 2025-11-27T00:00:00Z
dc.description.none.fl_str_mv Está previsto que materiais elementares bidimensionais (2D) do Grupo VI possuam propriedades promissoras para aplicações em eletrónica, optoeletrónica, termoeletricidade, sensores e detetores[1–5]. Nesta dissertação, apresentamos as propriedades eletrónicas e óticas do seleneno quadrado (s-Se), um alótropo bidimensional de selénio. Iniciamos com o cálculo das propriedades eletrónicas através de Density Functional Theory (DFT). Estes métodos ab initio revelam a formação de um semi cone de Dirac anisotrópico num ponto não simétrico, denotado P1, da primeira zona de Brillouin, o qual abre num gap (∼0.1 eV) devido a efeitos de acoplamento spin-órbita. Posteriormente, obtivemos uma textura de spin complexa no espaço recíproco, com spin-momentum locking a volta do ponto P1. Para concluir os cálculos de DFT, demonstramos a existência de estados de borda em dois tipos de nanofitas, sendo que uma delas apresenta características toplógicas não triviais, confirmadas em outros estudos[1,6]. De seguida, replicamos um Hamiltoniano k⋅p a partir da literatura[1] , ao qual adicionámos diversos termos de acoplamento spinórbita para descrever a estrutura de bandas relativista a volta de P1, assim como replicar a textura de spin qualitativamente. Com base neste modelo efetivo, descrevemos a formação de excitões no gap do cone de Dirac, recorrendo ao método variacional e considerando uma versão anisotrópica do potencial de Rytova-Keldysh[7]. Esta análise permite a caracterização do estado excitónico fundamental no seleneno quadrado, com a determinação da sua energia de ligação (Eb = -24 meV) e da respetiva função de onda. Até ao presente, não há, segundo o nosso conhecimento, registo destes resultados na literatura científica.
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/103993
dc.language.none.fl_str_mv por
dc.rights.cclincense.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.rights.none.fl_str_mv http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.rights.copyright.fl_str_mv openAccess
dc.subject.none.fl_str_mv 2D elemental materials
Density functional theory calculations
Semi-Dirac materials
Edge states
Effective Hamiltonian
Excitons
Variational method
Anisotropy effects
Materiais elementares bidimensionais
Density Functional Theory
Estados de borda
Hamiltoniano efetivo
Excitões
Método variacional
Efeitos de anisotropia
Ciências Naturais::Ciências Físicas
dc.title.fl_str_mv Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
dc.type.none.fl_str_mv http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc
description Group VI elemental 2D materials have been predicted to possess promising properties in electronics, optoelectronics, thermoelectricity, sensors, and detectors[1–5]. In this thesis, we present the electronic and optical properties of square selenene (s-Se), a 2D allotrope of selenium. We start by calculating the electronic properties using Density Functional Theory (DFT). These ab initio calculations show the formation of an anisotropic cone with semi-Dirac dispersion in a non-symmetric point, denoted P1, in the Brillouin zone, which forms a narrow gap (∼0.1 eV) due to spin-orbit coupling (SOC). Then, we uncover an intricate reciprocal space spin texture along the Brillouin zone, with spin-momentum locking around P1. To conclude the DFT calculations, we show the existence of edge states in two types of s-Se nanoribbons, with one of them presenting topologically non-trivial features, which are confirmed in other works[1,6]. We then replicate a k⋅p Hamiltonian, for the band structure around P1, from the literature[1] and add various SOC terms to obtain an effective model that describes the band structure data from fully relativistic DFT calculations and qualitatively reproduces the spin texture in reciprocal space. Using this effective model, we describe the exciton formation in the Dirac-like cone gap using the variational method while considering an anisotropic version of the Rytova-Keldysh potential[7]. This analysis provides a first characterisation of the exciton ground-state in square selenene, describing its binding energy (Eb=-24 meV) and wavefunction, which, to the best of our knowledge, have not been previously reported.
dirty 0
eu_rights_str_mv openAccess
format masterThesis
funder_facet_str_mv FCT{{{_:::_}}}Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
FCT{{{_:::_}}}Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
FCT{{{_:::_}}}Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
FCT{{{_:::_}}}Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
funding.funder.alternateName_str_mv FCT
FCT
FCT
FCT
funding.funder.identifier_str_mv http://doi.org/10.13039/501100001871
http://doi.org/10.13039/501100001871
http://doi.org/10.13039/501100001871
http://doi.org/10.13039/501100001871
funding.funder.name_str_mv Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.
funding.identifier_str_mv UIDB/04650/2020
UIDB/50007/2020
LA/P/0016/2020
PTDC/FIS-MAC/2045/2021
funding.name_str_mv Concurso de avaliação no âmbito do Programa Plurianual de Financiamento de Unidades de I&D (2017/2018) - Financiamento Base
Concurso de avaliação no âmbito do Programa Plurianual de Financiamento de Unidades de I&D (2017/2018) - Financiamento Base
Concurso para Atribuição do Estatuto e Financiamento de Laboratórios Associados (LA)
Concurso de Projetos IC&DT em Todos os Domínios Científicos
funding_str_mv UIDB/04650/2020
https://hdl.handle.net/1822/97590
UIDB/50007/2020
https://hdl.handle.net/1822/98574
LA/P/0016/2020
https://hdl.handle.net/1822/98575
PTDC/FIS-MAC/2045/2021
https://hdl.handle.net/1822/98576
id rum_7b8972a49f1ad61817f25fff700ec21e
identifier.url.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/103993
inst_facet_str urn:organizationAcronym:repositorium{{{_:::_}}}Universidade do Minho
instacron_str repositorium
institution Universidade do Minho
instname_str Universidade do Minho
language por
network_acronym_str rum
network_name_str RepositóriUM - Universidade do Minho
oai_identifier_str oai:repositorium.uminho.pt:1822/103993
organization_str_mv urn:organizationAcronym:repositorium
person_str_mv Marinho, André Mendes
publishDate 2025
repo_facet_str urn:repositoryAcronym:rum{{{_:::_}}}RepositóriUM - Universidade do Minho
reponame_str RepositóriUM - Universidade do Minho
repository_id_str urn:repositoryAcronym:rum
service_str_mv urn:repositoryAcronym:rum
spelling porporGroup VI elemental 2D materials have been predicted to possess promising properties in electronics, optoelectronics, thermoelectricity, sensors, and detectors[1–5]. In this thesis, we present the electronic and optical properties of square selenene (s-Se), a 2D allotrope of selenium. We start by calculating the electronic properties using Density Functional Theory (DFT). These ab initio calculations show the formation of an anisotropic cone with semi-Dirac dispersion in a non-symmetric point, denoted P1, in the Brillouin zone, which forms a narrow gap (∼0.1 eV) due to spin-orbit coupling (SOC). Then, we uncover an intricate reciprocal space spin texture along the Brillouin zone, with spin-momentum locking around P1. To conclude the DFT calculations, we show the existence of edge states in two types of s-Se nanoribbons, with one of them presenting topologically non-trivial features, which are confirmed in other works[1,6]. We then replicate a k⋅p Hamiltonian, for the band structure around P1, from the literature[1] and add various SOC terms to obtain an effective model that describes the band structure data from fully relativistic DFT calculations and qualitatively reproduces the spin texture in reciprocal space. Using this effective model, we describe the exciton formation in the Dirac-like cone gap using the variational method while considering an anisotropic version of the Rytova-Keldysh potential[7]. This analysis provides a first characterisation of the exciton ground-state in square selenene, describing its binding energy (Eb=-24 meV) and wavefunction, which, to the best of our knowledge, have not been previously reported.engEstá previsto que materiais elementares bidimensionais (2D) do Grupo VI possuam propriedades promissoras para aplicações em eletrónica, optoeletrónica, termoeletricidade, sensores e detetores[1–5]. Nesta dissertação, apresentamos as propriedades eletrónicas e óticas do seleneno quadrado (s-Se), um alótropo bidimensional de selénio. Iniciamos com o cálculo das propriedades eletrónicas através de Density Functional Theory (DFT). Estes métodos ab initio revelam a formação de um semi cone de Dirac anisotrópico num ponto não simétrico, denotado P1, da primeira zona de Brillouin, o qual abre num gap (∼0.1 eV) devido a efeitos de acoplamento spin-órbita. Posteriormente, obtivemos uma textura de spin complexa no espaço recíproco, com spin-momentum locking a volta do ponto P1. Para concluir os cálculos de DFT, demonstramos a existência de estados de borda em dois tipos de nanofitas, sendo que uma delas apresenta características toplógicas não triviais, confirmadas em outros estudos[1,6]. De seguida, replicamos um Hamiltoniano k⋅p a partir da literatura[1] , ao qual adicionámos diversos termos de acoplamento spinórbita para descrever a estrutura de bandas relativista a volta de P1, assim como replicar a textura de spin qualitativamente. Com base neste modelo efetivo, descrevemos a formação de excitões no gap do cone de Dirac, recorrendo ao método variacional e considerando uma versão anisotrópica do potencial de Rytova-Keldysh[7]. Esta análise permite a caracterização do estado excitónico fundamental no seleneno quadrado, com a determinação da sua energia de ligação (Eb = -24 meV) e da respetiva função de onda. Até ao presente, não há, segundo o nosso conhecimento, registo destes resultados na literatura científica.application/pdfengElectronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elementsMarinho, André MendesRibeiro, R. M.Peres, N. M. R.HostingInstitutionOrganizationalUniversidade do Minhoe-mailmailto:repositorium@usdb.uminho.ptrepositorium@usdb.uminho.ptTID2043135972025-11-272025-11-27T00:00:00ZHandlehttps://hdl.handle.net/1822/103993http://purl.org/coar/access_right/c_abf2open access2D elemental materialsDensity functional theory calculationsSemi-Dirac materialsEdge statesEffective HamiltonianExcitonsVariational methodAnisotropy effectsMateriais elementares bidimensionaisDensity Functional TheoryEstados de bordaHamiltoniano efetivoExcitõesMétodo variacionalEfeitos de anisotropiahttp://www.oecd.org/science/inno/38235147.pdfFields of Science and Technology (FOS)Ciências Naturais::Ciências Físicas4395923 bytesFundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.Physics Center of Minho and Porto Universities [UIDB/04650/2020]Concurso de avaliação no âmbito do Programa Plurianual de Financiamento de Unidades de I&D (2017/2018) - Financiamento Basehttps://hdl.handle.net/1822/97590UIDB/04650/2020Crossref Funder IDhttp://doi.org/10.13039/501100001871Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas [UIDB/50007/2020]Concurso de avaliação no âmbito do Programa Plurianual de Financiamento de Unidades de I&D (2017/2018) - Financiamento Basehttps://hdl.handle.net/1822/98574UIDB/50007/2020Crossref Funder IDhttp://doi.org/10.13039/501100001871Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.Laboratory for Instrumentation and Experimental Particle Physics [LA/P/0016/2020]Concurso para Atribuição do Estatuto e Financiamento de Laboratórios Associados (LA)https://hdl.handle.net/1822/98575LA/P/0016/2020Crossref Funder IDhttp://doi.org/10.13039/501100001871Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.Excitations in quantum 2D materials [PTDC/FIS-MAC/2045/2021]Concurso de Projetos IC&DT em Todos os Domínios Científicoshttps://hdl.handle.net/1822/98576PTDC/FIS-MAC/2045/2021Crossref Funder IDhttp://doi.org/10.13039/501100001871literaturehttp://purl.org/coar/resource_type/c_bdccmaster thesis2025-11-27http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2application/pdfhttps://repositorium.uminho.pt/bitstreams/98badfc4-db1b-47e6-9c76-fed9f197e877/download
spellingShingle Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
Marinho, André Mendes
2D elemental materials
Density functional theory calculations
Semi-Dirac materials
Edge states
Effective Hamiltonian
Excitons
Variational method
Anisotropy effects
Materiais elementares bidimensionais
Density Functional Theory
Estados de borda
Hamiltoniano efetivo
Excitões
Método variacional
Efeitos de anisotropia
Ciências Naturais::Ciências Físicas
status SINGLETON
subject.fl_str_mv 2D elemental materials
Density functional theory calculations
Semi-Dirac materials
Edge states
Effective Hamiltonian
Excitons
Variational method
Anisotropy effects
Materiais elementares bidimensionais
Density Functional Theory
Estados de borda
Hamiltoniano efetivo
Excitões
Método variacional
Efeitos de anisotropia
subject.other.fl_str_mv Ciências Naturais::Ciências Físicas
title Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
title_full Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
title_fullStr Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
title_full_unstemmed Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
title_short Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
title_sort Electronic and optical properties of two-dimensional materials consisting of group VI elements
topic 2D elemental materials
Density functional theory calculations
Semi-Dirac materials
Edge states
Effective Hamiltonian
Excitons
Variational method
Anisotropy effects
Materiais elementares bidimensionais
Density Functional Theory
Estados de borda
Hamiltoniano efetivo
Excitões
Método variacional
Efeitos de anisotropia
Ciências Naturais::Ciências Físicas
topic_facet 2D elemental materials
Density functional theory calculations
Semi-Dirac materials
Edge states
Effective Hamiltonian
Excitons
Variational method
Anisotropy effects
Materiais elementares bidimensionais
Density Functional Theory
Estados de borda
Hamiltoniano efetivo
Excitões
Método variacional
Efeitos de anisotropia
Ciências Naturais::Ciências Físicas
url https://hdl.handle.net/1822/103993
visible 1

Atividades financiadas

Carregando projetos financiados...