I. Tổng quan về bán dẫn dichalcogenides kim loại chuyển tiếp
Bán dẫn dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMDC) là nhóm vật liệu hai chiều (2D) có công thức hóa học MX2, với M là kim loại chuyển tiếp (Mo, W) và X là chalcogen (S, Se). Những vật liệu này nổi bật với cấu trúc vùng năng lượng có vùng cấm thẳng, phù hợp cho các ứng dụng quang điện tử. Tính chất vật lý của TMDC bao gồm tương tác spin-quỹ đạo mạnh và sự phụ thuộc của cấu trúc vùng năng lượng vào số lớp. Các ứng dụng của TMDC bao gồm bộ tách sóng quang, pin mặt trời và diodes phát quang. Nghiên cứu này tập trung vào tính chất truyền dẫn quang và tính chất nhiệt của các vật liệu này.
1.1. Cấu trúc và tính chất điện tử
Cấu trúc vùng năng lượng của TMDC đơn lớp có một cặp thung lũng không đối xứng tại các điểm K và K', với vùng cấm thẳng nằm trong khoảng từ hồng ngoại gần đến khả kiến. Độ rộng vùng cấm của MoS2, WS2, MoSe2 và WSe2 lần lượt là 1.8 eV, 2.1 eV, 1.5 eV và 1.6 eV. Tương tác spin-quỹ đạo mạnh trong TMDC thể hiện qua độ dịch chuyển năng lượng ở vùng hóa trị và vùng dẫn. Đặc điểm này làm cho TMDC trở thành vật liệu tiềm năng cho các thiết bị quang điện tử và spintronics.
1.2. Ứng dụng trong quang điện tử
TMDC được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện tử như bộ tách sóng quang, pin mặt trời và diodes phát quang. MoS2 đơn lớp đặc biệt nổi bật với độ linh động của hạt tải ổn định ở nhiệt độ cao, phù hợp với công nghệ bán dẫn tiêu chuẩn. Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra khả năng phát quang của MoS2 trong vùng bước sóng khả kiến, mở ra tiềm năng cho các ứng dụng nano-photonic.
II. Tính chất truyền dẫn quang của TMDC
Tính chất truyền dẫn quang của TMDC được nghiên cứu thông qua hệ số hấp thụ quang-từ (MOAC) và độ rộng phổ hấp thụ. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tương tác electron-phonon, từ trường và nhiệt độ. Truyền dẫn quang học trong TMDC đơn lớp thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vùng năng lượng và các trường Zeeman. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng quang học trong vật liệu 2D.
2.1. Hệ số hấp thụ quang từ
Hệ số hấp thụ quang-từ (MOAC) được tính toán dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm và quang. Kết quả cho thấy MOAC phụ thuộc vào năng lượng photon và từ trường. Tương tác electron-phonon đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ rộng phổ hấp thụ. Các nghiên cứu số học chỉ ra rằng MOAC đạt giá trị cực đại tại các mức năng lượng cụ thể, phù hợp với các dịch chuyển nội vùng và liên vùng.
2.2. Độ rộng phổ hấp thụ
Độ rộng phổ hấp thụ được khảo sát thông qua phương pháp profile. Kết quả cho thấy độ rộng phổ phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường. Tán xạ phonon là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ rộng phổ, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố năng lượng trong các quá trình hấp thụ quang-từ.
III. Tính chất nhiệt của TMDC
Tính chất nhiệt của TMDC được nghiên cứu thông qua tốc độ mất mát năng lượng của electron và công suất nhiệt-từ. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tương tác electron-phonon, từ trường và nhiệt độ. Truyền dẫn nhiệt học trong TMDC đơn lớp thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vùng năng lượng và các trường Zeeman. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng nhiệt học trong vật liệu 2D.
3.1. Tốc độ mất mát năng lượng của electron
Tốc độ mất mát năng lượng của electron (ELR) được tính toán dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm và quang. Kết quả cho thấy ELR phụ thuộc vào từ trường và nhiệt độ. Tương tác electron-phonon đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ mất mát năng lượng. Các nghiên cứu số học chỉ ra rằng ELR đạt giá trị cực đại tại các mức năng lượng cụ thể, phù hợp với các dịch chuyển nội vùng và liên vùng.
3.2. Công suất nhiệt từ
Công suất nhiệt-từ được khảo sát thông qua hiệu ứng phonon-kéo. Kết quả cho thấy công suất nhiệt-từ phụ thuộc vào từ trường và nhiệt độ. Tán xạ phonon là yếu tố chính ảnh hưởng đến công suất nhiệt-từ, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố năng lượng trong các quá trình nhiệt-từ.
