Date of Award

11-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Physics

Department

Physics

First Advisor

Noureddine Amrane

Abstract

This thesis conducts a thorough exploration of the characteristics and prospective applications of Tin Selenide (SnSe), a pivotal semiconductor for advancing contemporary electronics and optoelectronics. The investigation mainly focuses on comprehending the alterations in SnSe's properties when doped with elements such as Hafnium, Zinc, Bismuth, Germanium, Sodium, Iodine, and Silicon. 2D-SnSe allotropes, when doped with Hafnium, have exhibited remarkable optical characteristics, especially in the δ-SnSe allotrope, rendering it adaptable for varied optical uses like solar cells and LEDs. Additionally, evaluations of elasticity show improved resilience and augmented in-plane stiffness owing to Hf doping, occasionally reducing ductility. The work uniquely emphasizes the properties of Zinc-doped α-SnSe, revealing semiconductor traits conducive for deep ultraviolet applications and capacitors, primarily due to a reduction in the dielectric constant in monolayer structures. The exploration further delves into the impacts of Silicon-doping on α-SnSe, identifying both diminished thermal conductivity and amplified electronic conductivity. The exploration of this thesis broadens to include the co-doping of SnSe, incorporating combinations like Bismuth and Zinc, Germanium and Zinc, and Sodium and Iodine. Introducing both Bismuth and Zinc to SnSe led to enhancements in electrical conductivity and exhibited elevated mechanical durability, underlining its potent thermoelectric capabilities. In contrast, structures co-doped with Germanium and Zinc showcased stability and heightened thermoelectric efficiency due to their p-type semiconductor properties. SnSe, when amalgamated with Sodium and Iodine, manifested a modified triclinic auxetic formation with a minimized bandgap, showing a high probability for uses in capacitors and solar cells owing to its elevated static dielectric constant and stability. Moreover, the attributes of π-SnSe have been scrutinized, highlighting its capabilities in various photovoltaic and thermoelectric applications due to its distinctive lattice constant and optical bandgap.

Arabic Abstract


تعزيز الخصائص الكهربائية والخصائص الإلكترونية البصرية والخصائص الميكانيكية و والخصائص الكهروحرارية لمواد سيلينيد القصدير

ترتكز هذه الأطروحة على توصيف متقدم لمواد سيلينيد القصدير (SnSe) باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، وتقوم بفحص تأثيرات طرق الإشابة المتنوعة على خصائصها الكهربائية والبصرية والميكانيكية والخصائص الكهروحرارية. الهدف الرئيسي هو توضيح تأثير بعض الشوائب مثل الهافنيوم (Hf) والزنك (Zn) والبزموت (Bi) والجرمانيوم (Ge) و الصوديوم (Na) واليود (I) والسيليكون (Si) على سيلينيد القصدير (SnSe) باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). عند إشابة سيلينيد القصدير بصوره المتعددة ثنائيّة الأبعاد بالهافنيوم، تحسنت خصائصها الكهروضوئيّة، مما يشير إلى ملاءمتها لأجهزة مثل الخلايا الشمسية وأجهزة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LEDs). في دراساتنا المرتكزة حول (α-SnSe)، تم الكشف عن خصائص شبه موصلة عند الإ شابة بالزنك (Zn)، والتي تعتبر أساسية لتطبيقات الأشعة فوق البنفسجية العميقة والمكثفات الكهربائيّة، خاصة بسبب انخفاض في ثابت العزل (dielectric constant) عند البنيات ثنائيّة الأبعاد. عند دراسة تأثير إشابة (α-SnSe) بالسيليكون (Si)، تم تسجيل انخفاض على قيم الموصليّة الحراريّة بينما ارتفعت قيم الموصليّة الكهربائيّة بشكل ملحوظ. تتضمن هذه الأطروحة دراسة آثار الإشابة المشتركة (co-doping) على خواص سيلينيد القصدير (SnSe)، مثل دمج عناصر مثل البزموت والزنك (Bi/Zn co-doping)، والجرمانيوم والزنك (Ge/Zn co-doping)، بالإضافة إلى الصوديوم، واليود (Na/I co-doping) في عمليات الإشابة المشتركة. عندما تمت الإشابة بالبزموت والزنك تم ملاحظة تحسينات في الموصليّة الكهربائيّة وظهرت متانة ميكانيكية أكبر، مما يشير إلى تطبيقاتها الكهروحرار يّة المحتملة. بينما في حالة الإشابة المشتركة بالجرمانيوم والزنك، تم الكشف عن هياكل مستقرة لها خواص كهروحرارية عالية. أظهرت نتائج الإشابة المشتركة بعنصريّ الصوديوم واليود، إمكانية استخدام هذا المركب بشكل كبير لمجموعة واسعة من التطبيقات، تتراوح من البصريات الإلكترونية إلى المكثفات وحتى أجهزة الاستشعار. حيث أشارت الخصائص الكهروحراريّة للبُنية المشابة إلى تحسين كفائتها الحراريّة، خاصة بسبب تقليل قيم الموصليّة الحراريّة عند درجة حرارة الغرفة ومضاعفة قيم معامل سيبيك، بالإضافة لإمكانيات استخدامها في المكثفات الكهربائيّة والخلايا الشمسية، نظراً لقيم ثابت العزل العاليّة. من النتائج الهامة أيضاً تم العثور على أن المادة مستقرة ميكانيكيّاً، كما أشارت خواصها إلى إمكانية استخدامها كمستشعر اوكستيك (auxetic sensor). وأخيرًا، تم استكشاف خصائص π-SnSe ، التي تميزت ببُنية لها العديد من الخصائص المميّزة التي تشير إلى إمكانيّة استخدامها في التطبيقات الكهروضوئية والحرارية الكهربائية المتنوعة عند درجات الحرار ة المختلفة.

Download

Included in

Physics Commons

Share

COinS