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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80671
Tipo: | Tese |
Título: | Propriedades eletrônicas e topológicas de nanoestruturas de jacutingaítas à base de platina |
Autor(es): | Castro, Giselle dos Santos |
Orientador: | Pereira Júnior, João Milton |
Coorientador: | Rocha, Ivan Guilhon Mitoso |
Palavras-chave em português: | Jacutingaíta;Semicondutores topológicos bidimensionais;;Rede honeycomb kagome;Propriedades eletrônicas;Propriedades topológicas |
Palavras-chave em inglês: | Jacutingaite;Two-dimensional topological semiconductors;Honeycomb-kagome lattice;Electronic properties;Topological properties |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA |
Data do documento: | 2025 |
Citação: | Castro, G. dos S. Propriedades eletrônicas e topológicas de nanoestruturas de jacutingaítas à base de platina. 106f. Tese (Doutorado em Física: Física da Matéria Condensada) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025. |
Resumo: | Neste trabalho, apresentamos um estudo sobre as propriedades eletrônicas e topológicas de materiais de jacutingaítas baseadas em platina a partir de diferentes formalismos. Inicialmente, desenvolvemos um Hamiltoniano tight-binding refinado para os materiais Pt2NX3 (N = Zn, Cd, Hg; X = S, Se, Te), de modo a descrever detalhadamente a física de baixas energias das respectivas monocamadas. Levamos em consideração as contribuições significativas do acoplamento spin-órbita, fundamentais para a compreensão do gap de energia topológico presentes nesses materiais. Através de comparações com cálculos da teoria do funcional da densidade, os parâmetros do modelo tight-binding foram ajustados de modo a reproduzir acuradamente as bandas de energia próximas ao nível de Fermi. A interação entre os orbitais d de Pt 3e e s do metal N determinam a dispersão de energia dentro desse espectro. Esses elementos resultam em estruturas de rede kagome e honeycomb interpenetrantes, os quais formam a base estrutural do nosso modelo. O Hamiltoniano foi extendido para explorar nanofitas em monocamadas, com o qual demonstramos que a configuração das bandas de dispersão dos estados de bordas topológicos bem como o comprimento de penetração desses estados apresentam sensibilidade às configurações geométricas das bordas e que bordas zigzag fechadas ou com uma ligação de platina (equivalente a uma terminação zigzag fechada composta por X) possui uma estrutura eletrônica mais robusta do ponto de vista topológico. Além disso, investigamos as propriedades eletrônicas, ópticas e quantidades de Berry de um sistema composto por duas monocamadas de jacutingaítas baseadas em platina Pt2CdSe3/Pt2HgSe3, o qual denominamos de heterobicamada de Kane-Mele, dada que a com posição das camadas diferem pelo elemento N. A partir de cálculos da teoria do funcional da densidade e com o uso de funções de Wannier maximamente localizadas, demonstramos que essas propriedades podem ser controladas por meio de campos elétricos transversais. A curvatura de Berry da heterobicamada revela uma assinatura Hall quântico de vale e a presença do campo elétrico pode mudar o sinal da curvatura para regiões específicas da zona de Brillouin a depender da orientação e intensidade do campo aplicado. O sistema se mantém com o invariante topológico Z2 =0, sendo semicondutor de banda trivial independente da intensidade do campo. O gap de energia ajustável na região do vale possibilita a manipulação do grau de liberdade de vale. Uma anisotropia acentuada na condutividade óptica foi observada, com a absorção óptica fora do plano sendo deslocada para o azul em relação à absorção no plano, e o campo elétrico modificando tanto as intensidades quanto as posições dos picos de absorção. |
Abstract: | In this work, we present a study the electronic and topological properties of platinum-based jacutingaite materials using different formalisms. We begin by developing a refined tight binding Hamiltonian for Pt2NX3 materials (N = Zn, Cd, Hg; X = S, Se, Te), designed to accurately describe the low-energy physics of the respective monolayers. We take into account the significant contributions of spin-orbit coupling, which are fundamental for understanding the topological energy gap present in these materials. Through comparisons with density functional theory calculations, the parameters of the tight-binding model were adjusted to accurately reproduce the energy bands near the Fermi level. The interaction between the Pt d orbitals and the s orbitals of metal N determines the energy dispersion within this spectrum. These elements result in interpenetrating kagome and honeycomb lattice structures, which form the structural basis of our model. The Hamiltonian was extended to explore monolayer nanoribbons, with which we demonstrate that the configuration of the dispersion bands of the topological edge states as well as the penetration length of these states are sensitive to the geometric configurations of the edges. Closed zigzag edges or those with one platinum bond (equivalent to a closed zigzag termination composed of X) exhibit a more robust electronic structure from a topological perspective. Furthermore, we investigated the electronic and optical properties and Berry quatities of a system composed of two monolayers of platinum-based jacutingaite — Pt2CdSe3/Pt2HgSe3 — which we designate as a Kane-Mele heterobilayer, as the composition of the layers differs by the N element. From density functional theory calculations and the use of maximally localized Wannier functions, we show that these properties can be controlled by electric fields. The Berry curvature of the heterobilayer reveals a valley quantum Hall signature, and the presence of an electric field can change the Berry curvature sign for specific regions of the Brillouin zone depending on the orientation and intensity of the applied field. The system remains with the topological invariant Z2 = 0, being a trivial band semiconductor regardless of the field strength. The tunable energy gap in the valley region enables manipulation of the valley degree of freedom. A marked anisotropy in the optical conductivity was observed, with the out-of-plane optical absorption shifted to the blue compared to the in-plane absorption, and the electric field altering both the intensities and positions of the absorption peaks. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80671 |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | DFI - Teses defendidas na UFC |
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