Polaronic defect enhances optoelectronic and transport properties of blue phosphorene quantum dots using first-principles methods

Bài báo thuộc danh mục ISI, Q1 do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- Giảng viên Vật lý – khoa Khoa học cơ bản- Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Đặng Minh Triết; ThS. Nguyễn Thành Si- Trường Đại học Trà Vinh; TS. Phạm Vũ Nhật; CN. Nguyễn Chí Bền; TS. Nguyễn Trúc Anh- Đại học Cần Thơ; ThS. Nguyễn Võ Anh Duy; Nguyễn Thị Bảo Trang - Trường Đại học FPT - Trường Đại học Cần Thơ; TS. Peter Schall- Trường Đại học Amsterdam - Hà Lan; GS.TS. Đinh Văn An- Trường Đại học Osaka, Nhật Bản, đăng trong tập 241 tạp chí Computational Materials Science ngày 25 tháng 5 năm 2024. Bài báo được tài trợ bởi Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), mã dự án VINIF.2023.DA080, sự hỗ trợ cơ sở vật chất của trung tâm siêu tính toán Mississippi - Hoa Kỳ và trường Đại học Trà Vinh.

Thông qua việc sử dụng phương pháp nguyên lý đầu tiên và dùng hàm Green phi thực nghiệm, nhóm tác giả đã nghiên cứu một cách có hệ thống về phổ Ramman, các đặc tính điện tử, quang học và đặc tính vận chuyển của các điện tử của các hạt chấm lượng tử Blue Phophorenne không khuyết tật và có khuyết một nguyên tử P. Nhóm tác giả nhận thấy sự xuất hiện của khuyết tật nguyên tử P trong cấu trúc của các chấm lượng tử làm thay đổi đáng kể đến các tính chất quang điện tử của vật liệu dạng chấm lượng tử và có thể mang lại ưu thế vượt trội để ứng dụng trong các thiết bị quang điện. Khi xuất hiện một khuyết tật trong hệ thống, có sự xuất hiện của trạng thái polaron, một dạng chuẩn hạt. Nó cũng làm giảm độ rộng vùng cấm của vật liệu BlueP. Với sự xuất hiện của polaron và sự thay đổi đặc tính vật liệu, vật liệu có thể hấp thụ mạnh ánh sáng trong vngf khả kiến, tăng cường độ dòng đi qua điện cực. Nghiên cứu chỉ ra các khuyết tật đóng vai trò như các bẫy quang học, tăng khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng của các tấm pin mặt trời làm từ vật liệu chấm lượng tử BlueP.

Abstract: Control of material defects is an effective tool to improve the light-conversion efficiency of thin-film solar cell materials. Here, using first-principles calculations, we report a significant enhancement of optical and transport properties upon introducing a single vacancy into blue phosphorene quantum dots. We employ the generalized gradient approximation with the Perdew-Burke-Ernzerhof and the hybrid density functional theory model Becke, 3-parameter, and Lee-Yang-Parr (B3LYP) functionals as exchange–correlation functionals, to compute the equilibrium structure, vibration spectra and optoelectronic properties. We also evaluate the impact of a single vacancy on device performance by placing the blue phosphorene dots between two gold electrodes to mimic molecular junctions using the non-equilibrium Green function formalism with density functional based tight-binding methods. We find that we can effectively tune the electronic band gaps of these quantum dots from 4.03 eV to 3.73 eV (B3LYP values at the 6–311++G(d,p) levels) by cutting the blue phosphorene sheet to various quantum dot shapes. Furthermore, in the presence of a single vacancy, the band gaps shrink significantly to between 1.91 eV and 1.78 eV (B3LYP values at the 6–311++G(d,p) levels), due to the formation of polaronic states induced by the vacancy, resulting in a dramatic down shift of the conduction band towards the valence band. These polaronic states, on the one hand, induce more new absorption frequencies in the visible light range; on the other hand, they reduce or increase the current passing through the quantum dot molecular junctions depending on its morphology. Our results highlight the sensitivity to defects of blue phosphorene quantum dots in applications for solar cell devices.

Keyword: B3LYP; Vacancy; Material defects; BlueP QDs

Toàn văn bài báo xem tại: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.113020