Band valley flattening and exciton appearance/disappearance under isotropic strain in monolayer WS2

Bài báo thuộc danh mục ISI (Q2) do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- giảng viên Vật Lý khoa Khoa học cơ bản- Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Trần Quang Huy- Khoa Vật Lý- Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2; TS. Lương Thị Thêu- Trường Đại học Hòa Bình; TS. Ngô Văn Thanh- Viện Vật lý tính toán-, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; TS. Phùng Thị Việt Bắc- Viện Khoa học Bền vững, Đại học Việt Nhật, Đại học Quốc Gia Hà Nội; GS.TS. Đinh Văn An- Đại học Osaka- Nhật Bản đăng ngày 07 tháng 12 năm 2022, trên tạp chí The European Physical Journal Plus tập 137, số 12 tháng 12 năm 2022.

Bài báo trình bày nghiên cứu cơ chế sinh hủy của các exciton trong vật liệu hai chiều WS2 khi bị biến dạng cơ học đẳng hướng sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ có tính đến tương tác spin-quỹ đạo và tương tác van der Waals. Một số hiệu ứng đặc biệt như sự dịch chuyển thẳng đứng trên thang năng lượng của các orbital thành phần loại p, d của các nguyên tử W và S, sự phẳng hóa của các thung lũng năng lượng do biến dạng cấu trúc tinh thể được chỉ ra. Bài báo phân tích kỹ cơ chế sinh hủy của các exciton khi vật liệu bị biến dạng. Do sự tách spin của một số cực trị năng lượng vì có hiệu ứng tương tác spin quỹ đạo mạnh, các exciton sáng và tối được hiển thị rõ ràng trên sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng. Khi vật liệu bị biến dạng, sự phẳng hóa các cực trị năng lượng dẫn đến sự hủy của nhiểu trạng thái exciton, gây ra sự chuyển từ bán dẫn trực tiếp sang bán dẫn có vùng cấm gián tiếp tại K và Q. Ngoài ra sự dịch chuyển thẳng đứng của các cực trị năng lượng cũng dẫn đến sự giảm độ rộng vùng cấm. Các kết quả thu được trong nghiên cứu chỉ ra cách thức để điều chỉnh đặc tính exciton quang học của vật liệu bằng phương pháp biến dạng cơ học.

Abstract: Mechanism of exciton appearance and disappearance under isotropic strain in monolayer WS2 is investigated using the non-local van der Waals density functionals theory with taking into account the spin–orbit coupling (SOC). The essential effects such as vertical shift (the shift in the binding energy scale) of the d and p partial orbitals of the W and S atoms, respectively, and the flattening of band valleys caused by strain are explored. The exciton appearance and disappearance in the isotropic strained WS2 are discussed. Thanks to the spin splitting by SOC effect, light and dark excitons are visually shown. Under strain, the flattening of the band valleys may lead to the disappearance of excitons, causing the direct-to-indirect transition of the band gap. Furthermore, the vertical shift of electron orbitals at band edges can result in a notable reduction in the band gap. These findings can open a possible path to manipulate excitons using strain scheme.

Keyword: WS2; SOC; exciton; band valley deformation

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-022-03537-2

Một vài hình vẽ trong bài báo