Date of Award

3-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Physics

Department

Physics

First Advisor

Noureddine Amrane

Second Advisor

Maamar Benkraouda

Abstract

2D materials attracted considerable interest in the research community following the first report in 2004 on the preparation of graphene by simple micromechanical exfoliation of highly oriented pyrolytic graphite. For example, single-layer Molybdenum Di selenide (MoSe2) and Tungsten Di selenide (WSe2) transistors with on/off ratios of 108 and ultra-low standby power dissipation were demonstrated. Graphene electrodes have been used to develop fully transparent resistive memories to suppress unwanted surface effects that occur in oxide memory devices. Photodetectors based on MoSe2 with few layers have shown excellent photodetection properties. Phototransistors based on WSe2 monolayers exhibit photosensitivity up to 2200 AW, demonstrating the emerging applications of 2D materials for highefficiency optoelectronic devices. In particular, the 2D monolayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) exhibit direct bandgaps and have intriguing optical properties suitable for optoelectronic applications in light-emitting diodes and photovoltaics. To realize highly efficient optoelectronic devices based on TMD monolayers, it is also essential to develop a strategy for tuning the bandgaps of TMD monolayers. A significant drawback of graphene is that it does not have a bandgap and is therefore not considered the best material for light-emitting devices. This drawback of graphene has severely limited its application in the electronics industry, where semiconductor materials are widely used. In contrast, single-layer TMDs such as WSe2 and WSe2 are direct bandgap semiconductors and show good light emission properties. In this work, density functional theory is used to perform systematic studies of layered MoSe2 and WSe2. Theoretically, we transition metals Rh and Ru to perform planned studies of layered MoSe2 and WSe2 via substitutional doping and vacancies to find suitable dopants that can effectively improve or change these materials' electrical and magnetic properties. VASP is used as a theoretical, computational tool to determine the electronic and magnetic properties of untreated, defected, and doped MoSe2 and WSe2. Vacancy creation and doping reduced bandgap values as vacancies and doping concentrations increased linearly. Vacancy creation and doping reduced bandgap values as vacancies and doping concentrations increased linearly. Calculations of the energies of formation suggest that the doped system is thermodynamically more stable than the system with vacancies. The results obtained show that the Ru doped system has lower formation energies than the Rh. This study shows that both MoSe2 and WSe2 acquire a semi-metallic character. Both doped and vacancy generated systems bring magnetism to MoSe2 and WSe2, and the highest value of total magnetic moment found is 12 μB for tri-vacancies in MoSe2. This research shows that both vacancy generation and doping are practical tools for future scientific applications based on WSe2 and MoSe2.

Arabic Abstract


ضبط فجوة النطاق للطبقات الأحادية للموليبدينوم دايسيلينيد (MoSe2) وللتنغستن دايسلينيد (WSe2) من خلال السبائك والاستبدال: دراسة أولية

اكتسبت المواد ثنائية الأبعاد اهتماما كبيرا بين مجتمع البحث بعد التقرير الأول عن إعداد الجرافين عن طريق تقشير ميكروميكانيكي بسيط للجرافيت الحراري عالي التوجه في عام 2004. على سبيل المثال، تم إثبات ترانزستورات المولبيديوم دايسيلينيد (MoSe2) والتنغستن دايسلينيد (WSe2) أحادية الطبقة بنسب تشغيل/ إيقاف 108 وتبديد الطاقة الاحتياطية المنخفضة للغاية. تم تطبيق أقطاب الجرافين الكهربائية في تطوير ذاكرة مقاومة شفافة تماما لقمع التأثيرات السطحية غير المرغوب فيها الموجودة في أجهزة ذاكرة الأكسيد. أظهرت أجهزة الكشف الضوئي القائمة على MoSe2 ذات الطبقات القليلة خصائص ممتازة للكشف عن الضوء. كما تم الإبلاغ عن أن ترانزستورات الصور القائمة على WSe2 أحادية الطبقة تظهر مسؤولية ضوئية تصل إلى 2200AW مما يدل على التطبيقات الناشئة للمواد ثنائية الأبعاد للأجهزة الإلكترونية البصرية عالية الكفاءة. على وجه الخصوص، تحتوي الطبقات الأحادية 2D من ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية شبه الموصلة (TMDs) على فجوات نطاق مباشرة، وتمتلك خصائص بصرية مثيرة للاهتمام مناسبة للتطبيقات الإلكترونية البصرية في الثنائيات الباعثة للضوء والخلايا الكهروضوئية. لتحقيق الأجهزة الإلكترونية الضوئية عالية الكفاءة القائمة على الطبقات الأحادية TMDs، من المهم أيضا تطوير استراتيجية لضبط فجوات النطاق للطبقات الأحادية TMDs. أحد العيوب الرئيسية في الجرافين هو أنه يفتقر إلى وجود فجوة في النطاق، وبالتالي فهو لا يعتبرمادة مثالية لأجهزة الانبعاثات الخفيفة، وقد قلل من تطبيقه في الصناعة الإلكترونية حيث قد تكون مواد أشباه الموصلات ذات فائدة كبيرة. على العكس من ذلك، تعتبر TMDs أحادية الطبقة مث WSe2 و WSe2 أشباه موصلات فجوة النطاق المباشر وتظهر خصائص جيدة باعث للضوء في هذه الأطروحة، يتم استخدام نظرية الكثافة الوظيفية لإجراء دراسات منهجية لـ MoSe2و WSe2 الطبقات. من الناحية النظرية، نأخذ الفلزات الانتقالية Rh و Ru لإجراء دراسات مخططة لـ MoSe2و WSe2 عبر المنشطات البديلة وعيوب الشواغر بهدف تحديد المنشطات المناسبة التي يمكن أن تعزز أو تعدل بشكل فعال الخصائص الكهربائية والمغناطيسية لهذه المواد. يستخدم VASP كأداة حسابية نظرية للعثور على الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية لـ MoSe2و WSe2البكر والمعيب والمنشط. ومن الثابت أن كلا من خلق الشواغر والمنشطات، يقلل خطياً من قيم فجوة النطاق مع زيادة عدد الشواغر وتركيزات المنشطات. يشير حساب طاقات التكوين إلى أن النظام المنشط أكثر استقرارا من الناحية الديناميكية الحرارية من النظام الذي يحتوي على وظائف شاغرة. تشير نتائجنا إلى أن نظام Ru doped يحتوي على طاقات تكوين أقل من Rh doped يظهر هذا البحث أن الحرف نصف المعدني يتم تحفيزه في MoSe2 و WSe2 بكلتا الطريقتين المستخدمتين. كل من الأنظمة التي تم إنشاؤها بالمنشطات والشواغر تجلب المغناطيسية إلى MoSe2 و WSe2 وأعلى قيمة لإجمالي العزم المغناطيسي الموجود هي 12 ميكروB للشواغر الثلاثية في MoSe2. يظهر هذا البحث أن إنشاء الوظائف الشاغرة والمنشطات، كلاهما أداة فعالة لبناء تطبيقات علمية قائمة على MoSe2 و WSe2 في المستقبل.

Download

Included in

Physics Commons

COinS