Do confinamento quântico à energia solar : explorando o potencial de alótropos de carbono 2D e heterobicamadas de Van der Waals rotacionadas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Cornelio, Carlos Derli Almeida
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Dicalcogenetos de metais de transição
Materiais Van der Waals (vdW)
Éxciton
Link de acesso: http://repositorio.unb.br/handle/10482/52360
Resumo: Tese (doutorado em Física) — Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2025.
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spelling Do confinamento quântico à energia solar : explorando o potencial de alótropos de carbono 2D e heterobicamadas de Van der Waals rotacionadasDicalcogenetos de metais de transiçãoMateriais Van der Waals (vdW)ÉxcitonTese (doutorado em Física) — Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2025.Motivados pelos avanços experimentais recentes que detectaram excítons de Moiré— estados ligados formados por pares elétron-buraco em heterobicamadas rotacionadasde van der Waals (vdW) —, esta tese investiga as propriedades excitônicas em hetero bicamadas de dicalcogenetos de metais de transição (MoSe2/WSe2). A rotação entre as camadas gera padrões de Moiré na rede cristalina, que se assemelham a superredes artificiais do tipo favo-de-mel no plano das camadas. Esses padrões resultam em uma estruturade bandas excitônicas de baixa energia com dispersão análoga a cones de Dirac, mas com apresença de um gap de energia não nulo. Além disso, a rotação cria regiões com distâncias intercamadas e tipos de empilhamento variados, formando mínimos de energia distintos. A aplicação de um campo elétrico perpendicular às camadas ajusta as bandas de Moiré epode até mesmo fechar o bandgap excitônico, gerando cones de Dirac sem gap. Além das heteroestruturas, este trabalho explora o potencial dos alótropos de carbono bi dimensionais (2D), que exibem uma notável diversidade de propriedades eletrônicas, desdecomportamentos metálicos até semicondutores com band gaps ajustáveis. Esses materiais apresentam grande potencial para aplicações em dispositivos fotovoltaicos e energias renováveis, destacando-se pela estabilidade estrutural de alguns candidatos e pela eficiência teórica de conversão solar superior a 20%. Esta análise contribui para o entendimento a profundado das propriedades fundamentais dos materiais bidimensionais, evidenciando sua relevância para tecnologias avançadas. Neste contexto, analisamos os alótropos de carbono 2D como potenciais absorvedores fotovoltaicos, empregando métodos computacionais, como teoria do funcional da densidade, tight-binding e dinâmica molecular. Foram avaliados 30 alótropos, investigando suas propriedades estruturais, eletrônicas e excitônicas, além da eficiência de conversão de energiasolar, que variou entre 7% e 30%. Os resultados destacam a viabilidade teórica desses materiais para dispositivos de colheita solar, oferecendo novas perspectivas para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis. Nesta tese, aplicamos dois potenciais dependentes da posição à junção rotacionada de uma heterobicamada MoSe2/WSe2, demonstrando teoricamente a possibilidade de definição eletrostática de nanoestruturas de confinamento, como pontos e anéis quânticos. Esses elementos introduzem um controle adicional sobre o aprisionamento de excítons de Moiré. Níveis de energia excitônicos quantizados e suas respectivas funções de onda foram calculados utilizando um modelo tight-binding e comparados com uma solução analítica derivada no modelo contínuo, empregando um potencial circularmente simétrico.Motivated by recent experimental advances that detected Moiré excitons — boundstates formed by electron-hole pairs in rotated van der Waals (vdW) heterobilayers —this thesis investigates excitonic properties in rotated heterobilayers of transition metaldichalcogenides (MoSe2/WSe2). The rotation between the layers generates Moiré patternsin the crystal lattice, resembling artificial honeycomb-like superlattices within the layerplane. These patterns result in a low-energy excitonic band structure featuring Dirac conedispersions, but with a nonzero energy gap. Additionally, the rotation introduces regionswith varying interlayer distances and stacking configurations, creating distinct energyminima. The application of a perpendicular electric field can tune the Moiré bands andeven close the excitonic bandgap, resulting in gapless Dirac cones.Beyond heterostructures, this work explores the potential of two-dimensional (2D)carbon allotropes, which exhibit remarkable diversity in their electronic properties, ranging from metallic behaviors to semiconductors with tunable band gaps. These materialshold significant promise for applications in photovoltaic devices and renewable energy,particularly due to the structural stability of certain candidates and their theoreticalsolar energy conversion efficiency exceeding 20%. This analysis contributes to a deeperunderstanding of the fundamental properties of 2D materials, emphasizing their relevancefor advanced technologies.In this context, we analyzed 2D carbon allotropes as potential photovoltaic absorbers, employing computational methods such as density functional theory, functionaltight-binding, and molecular dynamics. A total of 30 allotropes were evaluated, investigating their structural, electronic, and excitonic properties, as well as their solar energyconversion efficiency, which ranged from 7% to 30%. The results highlight the theoreticalfeasibility of these materials for solar harvesting devices, offering new pathways for the development of sustainable technologies. In this thesis, we applied two position-dependentpotentials to the rotated MoSe2/WSe2 heterobilayer junction, theoretically demonstrating that confinement nanostructures, such as quantum dots and quantum rings, can beelectrostatically defined. These features introduce additional control over the trapping ofMoiré excitons. Quantized excitonic energy levels and their corresponding wavefunctionswere calculated using a tight-binding model and compared with an analytical solutionderived within the continuum model under a circularly symmetric potential.Instituto de Física (IF)Programa de Pós-Graduação em FísicaDias, Alexandre CavalheiroCornelio, Carlos Derli Almeida2025-07-07T22:24:07Z2025-07-07T22:24:07Z2025-07-072024-01-22info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCORNELIO, Carlos Derli Almeida. Do confinamento quântico à energia solar: explorando o potencial de alótropos de carbono 2D e heterobicamadas de Van der Waals rotacionadas. 2025. 193 f. il. Tese (Doutorado em Física) — Universidade de Brasília, Brasília, 2025.http://repositorio.unb.br/handle/10482/52360porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2025-07-07T22:24:07Zoai:repositorio.unb.br:10482/52360Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2025-07-07T22:24:07Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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