Date of Award
11-2023
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Physics
Department
Physics
First Advisor
Prof. Nacir Tit
Second Advisor
Prof. Noureddine Amrane
Abstract
2D materials exhibit tremendous properties, such as their tunable band gap, high surface to volume ratio, appropriate carrier mobility, and large Spin-Orbit Coupling, making them promising candidate for applications in optoelectronics, information storage, energy storage, toxic gas sensing, and biomarkers detection. My thesis focuses mainly on Transition Metal Di chalcogenide Monolayers (TMDs ML) for all previously mentioned applications and Mxene (Ti3C2Tx) for Lung Cancer (LC) biomarker detection. We have utilized two DFT-based packages: (i) VASP, based on plane-wave basis set, and is worldwide most reliable for probing the electronic and magnetic properties; (ii) ATK, based on localized basis set, and is efficient to deal with large systems to probe the transport properties.
From the perspective of Optoelectronics, in Chapter 2, we investigated the bowing character in the common-anion ternary alloys (e.g., Mo1-xWxS2) and its complete absence in the common-cation ternary alloys (e.g., MoS2(1-x)Se2X). Calculated band structures showed that the VBM and the CBM states in TMD-ML are fully attributed to the Metal Atoms (MA) and to follow the symmetry of the irreducible representations A1’ (singlet dz2 state) and E’ (doublet of dx2-y2 and dxy states) of the point group D3h, respectively. Our findings showed that the band gap depends on Mo/W ratio in the case of commonanion ternary alloys.
On the side of information storage, spintronics is a fast-emerging technology to be explored in information storage, processing, and communication. First, in Chapter 3, we have studied the electronic and magnetic properties of defective Transition-Metal Dichalcogenide (TMD) monolayer, MoX2, X = S or Se. Our results have revealed that all defected samples are paramagnetic semiconductors except the case of VMo in MoSe2, which yielded a half metallic behavior in case of the sized samples. Our findings have further confirmed that the origin of half metallicity is Ferromagnetic-Coupling (FMC) interactions between localized magnetic moments (like VMo). Secondly, In Chapter 4, we explored Transition-Metal “TM” doping the Transition-Metal Dichalcogenide “TMD” monolayers (MoX2, X = S, Se) to induce the half-metallicity behavior. The screening was extended to cover all 3d block elements in the periodic table (i.e., ranging from Sc -to- Zn) and the results yielded positive results on (Mn, Fe, and Ni)-doped MoS2 MLs and (V, Mn, Fe, and Co)-doped MoSe2 to host half-metallicity when smaller samples of sizes 4×4, 5×5, and 6×6 Primitive Cells (PCs) are concerned.
On the side of Energy storage, in Chapter 5, sixteen different substrates, which are based upon defected and TM-doped MoSe2 Monolayer (ML) and MoSe2/graphene Bilayer (BL) systems (TM = Mn, Ni, Cu) were investigated as candidates for hydrogen storage. Our results showed that Mn, Ni, and Cu substitutional doping the Se site showed distinct high H2 uptake capacity and thus to be good candidates for H2 storage.
From the perspective of gas sensing, maintaining air quality and avoiding pollution are critical issues globally. In Chapter 6, the adsorption, and gas-sensing properties of toxic Nitrogen-containing gases (e.g., NO and NO2) on Transition Metals (TMs) functionalized MoS2 monolayer (ML) are investigated. The results of IV characteristics showed that Coand Ni-doping can yield the optimal sensor response with high selectivity. The results are attributed to the changes between two extreme magnetic states; for instance, from FM to paramagnetic semiconducting states and vis versa (e.g., Co-, and Ni-doping, respectively).
In the context of lung Cancer (LC) diagnosis, more than half of the number of patients die within a year after being diagnosed, making it one of the leading causes of cancer deaths, as attributed to the challenges in the diagnosis and therapy. In Chapter 7, Ti3C2TX MXenes, saturated with the functional groups Tx = O, F, S, and OH. are studied for the detection of Lung Cancer biomarkers. Three functionalization (Tx = O, F, and S) are found promising for the selective detection of the studied VOCs, in particular Ti3C2O2 MXenes has shown distinct sensor response toward the C5H8, C6H6, C6H12, and C3H4O. In Chapter 8, we present a second material based on TMD ML (MoX2, X = S, Se) doped with TM at the chalcogenide site (TM = Mo, Fe, Ni, Cu) as a concurrent candidate material to detect LC biomarkers as efficient as the MXenes. The selectivity towards the detection of LC biomarkers stems from the enhancement of surface polarity of the TMD-ML “MoX2” after getting it doped with TM at X sites. Hence, we presented two candidate materials for biosensors suitable for early diagnosis of Lung Cancer.
Arabic Abstract
دراسة نظرية لمواد ثنائية الأبعاد وتطبيقاتها في مجالات الأجهزة الكهروضوئية، واستشعار الغازات، وتخزين المعلومات، وتخزين الطاقة
تعد الطبقات ثنائية الأبعاد من ثنائي كالكوجينيد المعادن الانتقالية (TMDs) من أكثر المواد استقطابا لاهتمام العلماء لأنها تشارك الجرافين في بعض خصائصه، ولكن تختلف عنه لوجود فجوة بين مستويات طاقة الالكترون لما تكون في شكل السبائك مما مهد الطريق لعصر جديد من علم المواد يهتم بالسبائك ثنائية الأبعاد. يعتبر ثاني كبريت المولبيديوم (MoS2) ثاني أكثر المواد ذات الطبقات التي تم فحصها بعد الجرافين، وهو من أهم العناصر ضمن مجموعة TMDs. TMDs عبارة عن مواد شبه موصلة ولها خواص عدة تمكنها من أن تكون مرشحة للعديد من التطبيقات الواعدة مثل الخلايا الكهروضوئية ، والإلكترونيات المغزلية ، واستشعار الغازات ، والبطاريات الأيونية. في هذه الاطروحة ركزنا بشكل أساسي على سبائك TMDs بالإضافة إلى سبائك المكسين (MXene) في دراستنا لطرق الكشف المبكر عن سرطان الرئة. في هذه الدراسة، لقد قمنا باستخدام برنامجي محاكاة لهما سمعة عالية وهما: (1) VASP: يعتمد هذا البرنامج على نظرية دالة الكثافة الوظيفية (DFT) ومن أهم تطبيقاته تتركز في حساب الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية للمواد؛ (2) ATK: من أهم تطبيقات هذا البرنامج هو حساب الخصائص الناقلية الإلكترونية للمواد. هذان البرنامجان يتكاملان لتحقيق دراسة شاملة لجميع ما نحتاجه في دراسة هذه الأطروحة.
يختص مجال التكنولوجيا الضوئية باستخدام الأجهزة الكهربائية لاكتشاف الخصائص ثم التحكم في الضوء. تعد إمكانية السيطرة الكاملة على فجوة الطاقة الأساسية من أهم التقنيات في هذا المجال لتحسين أداء الجهاز. في الفصل 2# ، قمنا بدراسة سر وجود تغير فجوة الطاقة في حالة سبائك الأنيون المشتركة (MoxW1-xS2) وانعدام وجوده تماما في حالة سبائك الكاتيون المشترك (MoS2(1-x) Se2x). أظهرت نتائجنا أن فجوة الطاقة شديدة الحساسية و تعتمد على نسبة Mo/W في حالة سبائك الأنيون المشترك.
تلعب خصائص العزم المغزلي للإلكترون (Spintronics) دورا هاما في التكنولوجيا الناشئة التي تحظى باهتمام العلماء لاستكشافها في تخزين المعلومات. أولاً، في الفصل #3، قمنا بدراسة الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية لسبائك TMDs (MoX2, X = S, Se) عند وجود شوائب في بنيتها، حيث أظهرت نتائجنا أن حالة VMo في MoSe2أعطت هيكلا نصف معدنيًا يتعلق بحجم العينة. ثانيا، في الفصل #4، قمنا بدراسة Se، X=S، MoX2 منضبة بذرة معدن ممغنط مثل (Sc-Zn). أظهرت دراستنا نتائج إيجابية في التوصل الى هيكل نصف معدني (Half metallic) في MoS2 ML في عند إرفاق ذرة من (Mn, Fe, and Ni) كما توصلنا إلى هيكل نصف معدني في MoSe2 ML عند إضافة ذرة من عناصر (V, Mn, Fe, and Ni). أكدت نتائجنا بشكل إضافي أن أصل نصف المواد المغناطيسية هو التفاعل بين العزم المغناطيسي للشوائب. لقد كان لهذه الدراسة فائدة في فهم أصل خصائص العزم المغزلي للإلكترونات لتطويعها في مجالات تخزين المعلومات.
في مجال تخزين الطاقة، في الفصل 5، قمنا بدراسة ستة عشر نوعا مختلفًا من القواعد المعتمدة على السبائك الثنائية الأبعاد لمادة (MoSe2 (ML الشائبة والمنضبة بذرة معدن ممغنط مثل (Mn, Ni, and Cu) لتخزين الهيدروجين كمصدر للطاقة. اشتمل البحث على دراسة MoSe2 ML معزولة وكذلك مع إضافة شريحة من الجرافين. أظهرت نتائجنا أن إضافة ذرة من Mn و Ni و Cu على موقع Se قد أظهر قدرة امتصاص للهيدروجين لتصبح عالية. كما توسعت الدراسة لتشمل حساب القدرة الاستيعابية لأحد القواعد المعتمدة متمثلة في (MoSe2: Ni@Se) حيث وجدنا أنه بزيادة عدد الذرات المضافة من ذرة واحدة فقط من عنصر النيكل Ni إلى ذرتين من عنصر النيكل (Ni) يمكن زيادة سعة تخزين جزيئات H2من 26 جزيء إلى 75 جزيء.
من منظور اكتشاف الغازات السامة، تعد جودة الهواء والتلوث قضيتان حرجتان على الصعيد العالمي. ان اكتشاف ومراقبة تركيز الغازات السامة ضروري للحفاظ على جودة الحياة. في الفصل 6، تمت دراسة إمكانية استشعار الغازات السامة التي تحتوي على النيتروجين مثل (NO and NO2) باستخدام شريحة ثنائية الأبعاد من ثاني كبيريت الموليبدينوم المنضبة بذرات معادن ممغنطة أظهرت نتائج الخصائص الكهربائية أن إضافة الكوبالت والنيكل يمكن أن تنتج استجابة مثلى للجهاز من حيث زيادة كل من حساسية الاستشعار والانتقائية. يعزى النتائج إلى التغييرات بين حالتين مغناطيسيتين متطرفتين على سبيل المثال، التغيير من الحالة المغناطيسية الحديدية إلى الحالة ذات الاستجابة المغناطيسية المسايرة والعكس (كما هو الحال عند إضافة الكوبالت والنيكل، على التوالي).
في سياق تشخيص سرطان الرئة، في الفصل #7 والفصل #8، تمت دراسة استخدام شريحة ثنائية الأبعاد من ثاني كبيريتيد الموليبدينوم MoS2 المنضبة بذرات معادن ممغنطة (الفصل #7) وشرائح المكسين MXenes Ti3C2Tx المشبعة بمجموعاتها الوظيفية، O، F، S، و Tx = OH (الفصل #8) ، لاكتشاف مؤشرات سرطان الرئة. أظهرت النتائج على MoS2 عند إضافة ذرات معدن في موقع ذرة كبيرت (S) يزيد من حساسيته تجاه مؤشرات سرطان الرئة حيث أظهرت إضافة ذرة من الحديد Fe أفضل استجابة من حيث حساسية الاستشعار والانتقائية. أما في الباب الثامن المتعلق بشرائح المكسين Ti3C2Tx وجدت ثلاثة وظائف (O، F، Tx=S) واعدة للكشف الانتقائي عن المركبات العضوية المستخدمة كمؤشر السرطان الرئة.
في النهاية، أسفرت الأطروحة عن نتائج واعدة جدا لتوضيح أهم العوامل المناسبة لتطويع خصائص المواد المدروسة لاستخدامها في التطبيقات المختلفة مثل دراسة التكنولوجيا الضوئية، واستشعار الغازات السامة ومؤشرات سرطان الرئة، وتخزين الطاقة والمعلومات.
Recommended Citation
Al Falasi, Wadha Khalifa, "2D MATERIALS FOR GAS SENSORS, BIOSENSORS, PHOTONIC, ENERGY AND INFORMATION STORAGE DEVICES: DFT STUDY" (2023). Dissertations. 298.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/298
