Excitons in monolayer tellurium studied with QPMBPT and a hydrogen-like model
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Data
2019-06-19
Autores
Lizárraga Olivares, Kevin Angello
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Os excitons desempenham um papel fundamental em aplicações fotovoltaicas (FV). Atualmente, a tecnologia FV de filme fino possui 9% da produção mundial. Em particular, o telúrio foi ligado ao cádmio (Cd-Te) e utilizado no fabrico de células solares de película fina. No entanto, a tecnologia de telúrio pode ser melhorada se estruturas de menor dimensão forem usadas, por exemplo, a forma de monocamada conhecida como telureno. O telureno pode ser sintetizado com sucesso em um substrato (por exemplo, grafeno), tem alta mobilidade dos portadores, a condutividade térmica mais baixa entre monocamadas de átomos e um gap de banda óptica sintonizável que o torna em um candidato proeminente para o desenvolvimento de tecnologia. Neste trabalho, realizamos cálculos ab-initio da teoria da perturbação do muitos corpos (QPMBPT) para analisar os efeitos excitônicos na absorção de luz pelo telureno. Como telúrio é um elemento pesado, nossa análise foi estendida para a presença de acoplamento spin-órbita, que faz uma mudança significativa na estrutura da banda, bem como na parte imaginária da constante dielétrica. A anisotropia da telurena é evidente no espectro de absorção, que é semelhante ao fósforo preto, com a mais forte excitação ao longo da direção em ziguezague e energias de ligação de excitons semelhantes a outros semicondutores 2D. Além disso, comparamos nossos resultados com um modelo efetivo de hidrogênio, no qual o elétron e o buraco interagem através de uma interação anisotrópica de Keldysh, ou seja, um potencial de Coulomb rastreado, para estimar a energia de ligação do exciton para os casos com SOC e não-SOC. Os resultados mostram uma excelente concordância entre a metodologia QPMBPT e o modelo do tipo hidrogênio.
Excitons play a key role in photovoltaic (PV) applications. Nowadays, thin film PV technology has a 9% of worldwide production. In particular, tellurium has been alloyed with cadmium (Cd-Te) and used in the manufacture of thin film solar cells. However, tellurium technology could be improved if lower dimensional structures are used, for instance, the single layer form known as tellurene. Tellurene can be successfully synthesized on a substrate (e.g graphene), has high carrier mobilities, the lowest thermal conductivity among single-atom layers and a tunable optical band gap which make it a prominent candidate for technology development. In this work, we carry out ab-initio quasi-particlemany body perturbation theory (QPMBPT) calculations to analyze the excitonic effects in light absorption for tellurene. Since telluriumis a heavy element, our analysis has been extended to the presence of spin orbit coupling, which makes a significant change in the band-structure as well as in the imaginary part of the dielectric constant. The anisotropy of tellurene is evident in the absorption spectra, which is similar to black phosphorus, with the strongest excitation along the zigzag direction and exciton binding energies similar to other 2D semiconductors. Furthermore, we compare our results with an effective hydrogen-like model, in which the electron and hole interacts via an anisotropic Keldysh interaction, i.e. an screened Coulomb potential, in order to estimate the exciton binding energy for SOC and non-SOC cases. The results show an excellent agreement between QPMBPT methodology and the hydrogen like model.
Excitons play a key role in photovoltaic (PV) applications. Nowadays, thin film PV technology has a 9% of worldwide production. In particular, tellurium has been alloyed with cadmium (Cd-Te) and used in the manufacture of thin film solar cells. However, tellurium technology could be improved if lower dimensional structures are used, for instance, the single layer form known as tellurene. Tellurene can be successfully synthesized on a substrate (e.g graphene), has high carrier mobilities, the lowest thermal conductivity among single-atom layers and a tunable optical band gap which make it a prominent candidate for technology development. In this work, we carry out ab-initio quasi-particlemany body perturbation theory (QPMBPT) calculations to analyze the excitonic effects in light absorption for tellurene. Since telluriumis a heavy element, our analysis has been extended to the presence of spin orbit coupling, which makes a significant change in the band-structure as well as in the imaginary part of the dielectric constant. The anisotropy of tellurene is evident in the absorption spectra, which is similar to black phosphorus, with the strongest excitation along the zigzag direction and exciton binding energies similar to other 2D semiconductors. Furthermore, we compare our results with an effective hydrogen-like model, in which the electron and hole interacts via an anisotropic Keldysh interaction, i.e. an screened Coulomb potential, in order to estimate the exciton binding energy for SOC and non-SOC cases. The results show an excellent agreement between QPMBPT methodology and the hydrogen like model.
Descrição
Palavras-chave
Matéria condensada, Matéria - Propriedades, Células solares., Tellurene, Excitons