Alinhamento de bandas em heteroestruturas de TMDs / GaAs: um estudo ab initio
| dc.creator | Gabriel de Paula Barbosa | |
| dc.date.accessioned | 2026-02-24T16:15:57Z | |
| dc.date.issued | 2025-12-04 | |
| dc.description.abstract | In this work, we perform a theoretical study from first principles (ab initio) on the structural properties and electronic band alignments in structures formed by the stacking of transition metal dichalcogenides (TMDs) monolayers – MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2 – on GaAs(110) surfaces. To do so, we initially present the methodology of density functional theory (DFT), from its mathematical foundations, initiated by Hohenberg and Kohn in the 1970s, to its implementation in the SIESTA computational code. We focus on the most relevant parameters for this implementation, as well as the approximations used: the linear combination of atomic orbitals (LCAO), pseudopotentials, and the generalized gradient approximation (GGA); and the plane-wave methodology – the linearized augmented plane wave (LAPW) method. Initially, we briefly discuss the scientific and industrial motivations for choosing these materials and how the employed models relate to possible and already completed works in van der Waals (vdW) heteroepitaxy. Subse- quently, we present relaxation calculations to determine the lattice parameters of MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2, comparing them with experimental data. We also discuss the electronic structure of these materials, highlighting the transition phenomenon from an indirect gap (in bulk) to a direct gap (in monolayer), which makes them promising for optoelectronic applications. We also detail the geometry and electronic properties of the non-polar GaAs(110) surface via SIESTA, as well as the properties of the polar GaAs(001) and GaAs(111) surfaces using VASP. The text discusses the heteroepitaxy of thin films, explaining the concepts of lattice mismatch and strain, which are crucial for the formation of heterostructures. Finally, the vdW heterostructures (GaAs[110]/MoS2, GaAs[110]/MoSe2, GaAs[110]/WS2, and GaAs[110]/WSe2) are presented; we calculate the equilibrium distances between the layers, confirm the nature of the vdW interaction at the interface, and find the most stable structures. From these, we perform a band alignment analysis – based on the projected density of states onto each atomic orbital (fatbands) and the local density of states (LDOS) of the valence band maximum and conduction band minimum states to determine the type of alignment in each system. The results indicate a type II alignment (staggered gap) for the sulfur-containing heterostructures (MoS2 and WS2), with the valence band maximum (VBM) localized on the GaAs and the conduction band minimum (CBM) on the TMD, and a type I alignment (straddling gap) for those containing selenium (MoSe2 and WSe2), but with the formation of delocalized hybrid states. | |
| dc.description.sponsorship | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior | |
| dc.description.sponsorship | FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais | |
| dc.description.sponsorship | CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/1843/1742 | |
| dc.language | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal de Minas Gerais | |
| dc.rights | Acesso aberto | |
| dc.subject | Teoria do funcional da densidade | |
| dc.subject | Estrutura eletrônica | |
| dc.subject | Heteroestrutura | |
| dc.subject | Heteroepitaxia | |
| dc.subject.other | TMDs | |
| dc.subject.other | Dicalcogenetos de metais de transição | |
| dc.subject.other | Ab initio | |
| dc.subject.other | GaAs | |
| dc.subject.other | Teoria do funcional da densidade | |
| dc.subject.other | DFT | |
| dc.subject.other | Estrutura eletrônica | |
| dc.subject.other | SIESTA | |
| dc.subject.other | VASP | |
| dc.subject.other | Heteroestruturas de vdW | |
| dc.subject.other | Heteroepitaxia | |
| dc.title | Alinhamento de bandas em heteroestruturas de TMDs / GaAs: um estudo ab initio | |
| dc.type | Dissertação de mestrado | |
| local.contributor.advisor-co1 | Luiz Claudio de Carvalho | |
| local.contributor.advisor-co1ID | https://orcid.org/0000-0003-1434-6582 | |
| local.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/9096110993642320 | |
| local.contributor.advisor1 | Simone Silva Alexandre | |
| local.contributor.advisor1ID | https://orcid.org/0000-0002-1036-3265 | |
| local.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/9883014782075093 | |
| local.contributor.referee1 | Paulo Sérgio Soares Guimarães | |
| local.contributor.referee1 | Ronaldo Junio Campos Batista | |
| local.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/1185788460765611 | |
| local.description.resumo | Neste trabalho, realizamos um estudo teórico por primeiros princípios das propriedades estruturais e dos alinha- mentos de bandas eletrônicas em estruturas formadas pelo empilhamento de monocamadas de dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) – MoS2, MoSe2, WS2 e WSe2 – sobre superfícies de GaAs. Para tal, apresentamos a metodologia da teoria do funcional da densidade (DFT), desde seus fundamentos matemáticos, iniciados por Hohenberg e Kohn nos anos 70, até sua implementação no código computacional SIESTA; com enfoque nos parâmetros mais relevantes para essa implementação, bem como nas aproximações utilizadas: a Teoria dos Orbitais Atômicos Localizados (LCAO), pseudopotenciais e a aproximação do gradiente generalizado (GGA). Além do código baseado em bases locais, utilizamos um código baseado em ondas planas (LAPW) – conforme implementado no VASP. Inicialmente, discorremos brevemente sobre as motivações científicas e industriais para a escolha desses materiais e como os modelos empregados se relacionam com os trabalhos possíveis e já realizados em heteroepitaxia de van der Waals (vdW). Posteriormente, apresentamos cálculos de relaxação para determinar os parâmetros de rede de MoS2, MoSe2, WS2 e WSe2, comparando-os com dados experimentais. Discutimos também a estrutura eletrônica desses materiais, destacando o fenômeno da transição de gap indireto (em bulk) para gap direto (em monocamada), o que os torna promissores para aplicações optoeletrônicas. Detalhamos também a geometria e as propriedades eletrônicas da superfície não-polar GaAs(110) utilizando o SIESTA, bem como as propriedades das superfícies polares GaAs(001) e GaAs(111) utilizando o VASP. O texto discute a heteroepitaxia de filmes finos, explicando o conceito de lattice mismatch e strain, que são cruciais para a formação das heteroestruturas. Finalmente, as heteroestruturas de vdW (GaAs[110]/MoS2, GaAs[110]/MoSe2, GaAs[110]/WS2 e GaAs[110]/WSe2) são apresentadas. Calculamos as distâncias de equilíbrio entre as camadas, encontrando as heteroestruturas mais estáveis. A partir disso, fazemos uma análise do alinhamento de bandas – por meio da densidade de estados projetada sobre cada orbital atômico (fatbands) e da densidade local de estados (LDOS) dos estados do topo da banda de valência e do fundo da banda de condução para determinar o tipo de alinhamento em cada sistema. Os resultados das heteroestruturas com GaAs[110] indicam um alinhamento do tipo II (staggered gap) para as heteroestruturas com enxofre (MoS2 e WS2), com o topo da banda de valência localizado no GaAs e o fundo da banda de condução no TMD, e um alinhamento do tipo I (straddling gap) para as que contêm selênio (MoSe2 e WSe2) com a formação de estados híbridos deslocalizados. | |
| local.publisher.country | Brasil | |
| local.publisher.department | ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA | |
| local.publisher.initials | UFMG | |
| local.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Física | |
| local.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::ESTRUTURAS ELETRONICAS E PROPRIEDADES ELETRICAS DE SUPERFICIES INTERFACES E PELICULAS |
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