Διδακτορικός Φοιτητής
Γεώργιος Βαϊλάκης

Email

gvailakis@materials.uoc.gr

Θέμα διδακτορικού

Θεωρητική μελέτη δισδιάστατων νανοδομών

Theoretical study of two-dimensional nanostructures

Επιβλέπων

Κοπιδάκης Γεώργιος, αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Επιτροπή

Κοπιδάκης Γεώργιος, αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Ρεμεδιάκης Ιωάννης, Αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Παπάζογλου Δημήτριος, αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Περίληψη

Η τοποθέτηση δισδιάστατων υλικών σε στοίβα οδηγεί στην δημιουργία ετεροδομών "van der Waals" (vdW) πάχους νανομέτρου και καθαρών διεπιφανειών. Αυτά τα συστήματα συχνά επιδεικνύουν εξαιρετικές ιδιότητες και παρουσιάζουν νέες προκλήσεις για τη θεωρία. Η υπεραγωγιμότητα των δύο στραμμένων στρωμάτων γραφενίου (twisted bilayer graphene) υπό την μαγική γωνία, τα εξιτόνια των ετεροδομών διχαλκογενιδίων μεταβατικών μετάλλων (ΔΜΜ) και οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες των ετεροδομών του ΔΜΜ/γραφενίου είναι παραδείγματα, μεταξύ άλλων, όπου οι vdW ετεροδομές διαφέρουν σημαντικά από τα υλικά που τις σχηματίζουν. Τα θεωρητικά μοντέλα μπορούν να απαντήσουν σε αναδυόμενες θεμελιώδεις ερωτήσεις και να προσδιορίσουν πιθανά υποψήφια υλικά με ιδιότητες προσαρμοσμένες για συγκεκριμένες εφαρμογές από όλο το φάσμα των μοναδικών vdW ετεροδομών. Θα εκτελέσουμε υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας (ΘΣΠ) για την ατομική και ηλεκτρονική δομή ετεροδομών vdW που αποτελούνται από συνδυασμούς ΔΜΜ και γραφενίου. Λόγω του μεγάλου μεγέθους των υπερκυψελίδων προσομοίωσης, οι υπολογισμοί ΘΣΠ είναι πολύ απαιτητικοί και χρειάζονται προσεκτική ερμηνεία χρησιμοποιώντας υπολογιστικά εργαλεία, τα οποία πρέπει να αναπτύξουμε. Επιπλέον, θα πραγματοποιήσουμε υπολογισμούς μετά-ΘΣΠ για πιο ακριβή αποτελέσματα σχετικά με τις εξιτονικές καταστάσεις, καθώς και άλλες βασικές οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματά μας από την ΘΣΠ, σε συνδυασμό με δεδομένα από πειράματα, θα χρησιμοποιηθούν σε μια προσέγγιση πολλαπλής κλίμακας για να διερευνηθούν ενδιαφέροντα φαινόμενα που παρατηρούνται σε ετεροδομές vdW σε κλίμακες μήκους που είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από τις ατομικές αποστάσεις. Αυτό θα απαιτήσει σημαντική προσπάθεια στην ανάπτυξη ημιεμπειρικών και εμπειρικών μοντέλων. Εκτός από το να εξηγήσουμε τα παρατηρούμενα φαινόμενα, αναμένουμε ότι οι προβλέψεις μας θα είναι χρήσιμες σε νέα πειράματα και εφαρμογές.

Abstract

Layer by layer stacking of two-dimensional materials gives rise to “van der Waals” (vdW) heterostructures of nanometer thickness and clean interfaces. These systems often exhibit extraordinary properties and present novel challenges for theory. Superconductivity of twisted bilayer graphene at the magic angle, interlayer excitons in transition metal dichalcogenide (TMD) heterostructures, and optoelectronic properties of TMD/graphene heterostructures, are examples, among others, where vdW heterostructures significantly differ from their monolayer constituents. Theoretical models can answer emerging fundamental questions and identify possible candidates with properties tailored for specific applications from all the range of unique vdW heterostructures. We will perform density functional theory (DFT) calculations for the atomic and electronic structure of vdW heterostructures consisting of combinations of TMD monolayers and graphene. Due to the large size of the supercells, DFT calculations are very demanding and need careful interpretation using non-trivial computational tools, which we need to develop. Additionally, we will perform post-DFT calculations for more accurate results on intralayer and interlayer excitons, and other key optoelectronic properties. Our DFT-based results, combined with data from experiments, will be used in a multiscale approach to investigate interesting phenomena observed in vdW heterostructures at length scales orders of magnitude larger than interatomic distances. This will require significant effort in developing semi-empirical and empirical models. Besides explaining observed phenomena, we expect that our predictions will be useful in new experiments and applications.