Inter-molekuláris kölcsönhatások elméleti vizsgálata nanoszerkezetekben = Theoretical investigation of inter-molecular interactions in nanostructures

Megvizsgáltuk kétfalú szén nanocsövekben a falak közötti kölcsönhatást és meghatároztuk a következtében fellépő töltésátvitelt; hasonlóképpen megvizsgáltuk ferrocénnel töltött nanocsövekben a ferrocén és a nanocső kölcsönhatását. A szén nanocsövek helikális szimmetriáját kihasználva kidolgoztunk egy egyszerű eljárást a fonondiszperziók első elvi szintű kiszámítására. Megmutattuk, hogy fullerén-kubán kokristályokban a kubán jelenléte a fullerénsávok összehúzódásához vezet az elektron-sávszerkezetben, megnövelve mind a tiltott sáv szélességét, mind az állapotsűrűséget a vezetési és a vegyérték sávban. Egyfalú szén nanocsövek elektron-állapotsűrűségére végeztünk kiterjedt számolásokat. Kiszámoltuk a 4d és 5d átmeneti fémek felületi relaxációját és felületi stressz értékeit a szorosan zárt felületekre. Készítettünk egy áttekintő publikációt (könyvfejezet) az elmúlt években nanocsövekre végzett első elvi fononszámolásokról. Megvizsgáltuk a fullerén pinch módusát elektrokémiai környezetbe helyezett fullerén-nanocső borsókban. Megvizsgáltuk a kétfalú szén nanocsövekből felépíthető úgynevezett kvantum pumpákat. Kiszámoltuk, hogy a 4d és 5d átmeneti fémek a nagy lefedettségi határesetben mekkora kötési energiával kötődnek grafénre. Megmutattuk, hogy királis szén nanocsövek jobbos és balos változatainak összekapcsolódása stabil, bambusz-bütyökre emlékeztető hibahelyeket eredményez a nanocsőben, mely hibák jelenléte az elektrontranszport mérésével kimutatható. | We studied the inter-shell interaction in double-walled carbon nanotubes and calculated the resulting charge transfer; similarly, we looked at the interaction between ferrocene and the host nanotube in ferrocene-filled carbon nanotubes. We developed a method which efficiently calculates the full phonon dispersions of single-walled carbon nanotubes on the first principles level by exploiting the helical symmetry of the nanotubes. We have shown that the presence of cubane in fullerene-cubane cocrystals leads to an increased lattice constant and thereby to an increased band gap as well as increased density of states in the valence and conduction bands. We performed extensive calculations on the electronic density of states of single-walled carbon nanotubes. We calculated the surface relaxation and surface stress of the close-packed surfaces of 4d and 5d transition metals. We wrote a review book chapter summarizing recent advances in first principles level studies of the phonons of carbon nanotubes. We examined the pinch mode of fullerenes in fullerene-nanotube peapods in an electrochemical environment. We examined the so-called quantum pumps based on double-walled carbon nanotubes. We calculated the binding energies of 4d and 5d transition metals to graphene in the limit of high coverage. We showed that left- and right-handed versions of chiral carbon nanotubes can connect by forming a bamboo-like lattice defect which can be detected through electronic transport measurements

Auger recombination of dark excitons in WS2{\rm WS_2} and WSe2{\rm WSe_2} monolayers

We propose a novel phonon assisted Auger process unique to the electronic band structure of monolayer transition metal dichalcogenides (TMDCs), which dominates the radiative recombination of ground state excitons in Tungsten based TMDCs. Using experimental and DFT computed values for the exciton energies, spin-orbit splittings, optical matrix element, and the Auger matrix elements, we find that the Auger process begins to dominate at carrier densities as low as $10^{9-10}~{\rm cm^{-2}}$, thus providing a plausible explanation for the low quantum efficiencies reported for these materials.Comment: 5 pages, 2 figure

Electronic properties of linear carbon chains: resolving the controversy

Literature values for the energy gap of long one-dimensional carbon chains vary from as little as 0.2 eV to more than 4 eV. To resolve this discrepancy, we use the GW many-body approach to calculate the band gap $E_g$ of an infinite carbon chain. We also compute the energy dependence of the attenuation coefficient $\beta$ governing the decay with chain length of the electrical conductance of long chains and compare this with recent experimental measurements of the single-molecule conductance of end-capped carbon chains. For long chains, we find $E_g = 2.16$ eV and an upper bound for $\beta$ of $0.21$ \AA$^{-1}$.Comment: Accepted for publication in Journal of Chemical Physic

Hybrid k⋅p\mathbf{k\cdot p}-tight-binding model for intersubband optics in atomically thin InSe films

We propose atomic films of n-doped $\gamma$-InSe as a platform for intersubband optics in the infrared (IR) and far infrared (FIR) range, coupled to out-of-plane polarized light. Depending on the film thickness (number of layers) of the InSe film these transitions span from $\sim 0.7$ eV for bilayer to $\sim 0.05$ eV for 15-layer InSe. We use a hybrid $\mathbf{k} \cdot \mathbf{p}$ theory and tight-binding model, fully parametrized using density functional theory, to predict their oscillator strengths and thermal linewidths at room temperature

Új szén nanorendszerek elméleti vizsgálata = Theoretical Investigation of Novel Carbon Nanosystems

Bevezettünk egy lineáris/exponenciális skálázást és DFT számolásokkal meghatároztuk rövid és hosszú lineáris szénláncok Raman aktív LO frekvenciáját; DFT módszerrel tanulmányoztuk a rétegek közötti kölcsönhatást kettősfalú szén nanocsövekben. Töltésátvitelt tapasztaltunk a külső és belső csövek között, továbbá keveredést a két réteg állapotai között; Tanulmányoztuk pikocső kölcsönhatását szén nanocsővel; Tanulmányoztuk a 13C izotópdúsítás hatását szén nanocsövek lélegző módusára; Megmagyaráztuk a nagy görbületű egyfalú szén nanocsövek Raman spektrumában a D és 2D sávok kísérletileg megfigyelt anomális diszperzióját a görbület által okozott fonon puhulás és az optikai átmeneti energiáknak a vöröseltolódása segítségével; Kiszámoltuk kis átmérőjű szén nanocsövek fonon diszperzióját DFT szinten és a helikális szimmetria kihasználásával; Megmagyaráztuk kis átmérőjű szén nanocsöveken végzett in situ Raman spektroelektrokémiai vizsgálatok eredményeit CoMoCat szén nanocsövek elektronszerkezetének és teljesen szimmetrikus rezgéseinek DFT szintű számolása segítségével; Kiszámítottuk dópolt fullerén-kubán kokristályok sávszerkezetét DFT módszerrel; Kiszámoltuk bambusz hibahelyeket tartalmazó szén nanocsövek geometriáját, állapotsűrűségét és ballisztikus transzportját; Kiszámítottuk 4d és 5d átmeneti fématomok kötési energiáját egy grafén síkhoz; Elméletileg megmutattuk, hogy egy királis külső csőnek egy fix belső cső körüli forgatásával elektronok pumpálhatók a belső cső mentén. | We introduced a linear/exponential scaling scheme and calculated with DFT methods the Raman active LO frequencies for olygoynes and polyyne; We studied the intershell interaction in double walled carbon nanotubes. We observed charge transfer between the inner and outer tubes and also orbital mixing between the states of the layers; We studied the interaction of a picotube with carbon nanotubes; We studied the effect of 13C isotope enrichment on the radial breathing mode of carbon nanotubes; We explained the experimentally observed unusual Raman dispersion for D and 2D lines in high-curvature single-walled carbon nanotubes by a curvature-induced phonon softening and the red shift of the optical transition energies; We calculated the phonon dispersion of small diameter carbon nanotubes on DFT level exploiting the screw axis symmetry; We explained the results of in situ Raman spectroelectrochemical studies on small diameter carbon nanotubes by performing DFT calculations on the electronic structure and the totally symmetric vibrations of selected CoMoCat carbon nanotubes; We calculated the band structure of doped fullerene-cubane cocrystals; We calculated the geometry, DOS and ballistic transport for carbon nanotubes with bamboo defect; We studied the strength of the binding of 4d and 5d transition metal atoms on a graphene sheet; We showed theoretically that by rotating a chiral outer tube around a fixed inner tube it is possible to pump electrons along the inner tube

Tunable Berry curvature, valley and spin Hall effect in Bilayer MoS2_2

The chirality of electronic Bloch bands is responsible for many intriguing properties of layered two-dimensional materials. We show that in bilayers of transition metal dichalcogenides (TMDCs), unlike in few-layer graphene and monolayer TMDCs, both intra-layer and inter-layer couplings give important contributions to the Berry-curvature in the $K$ and $-K$ valleys of the Brillouin zone. The inter-layer contribution leads to the stacking dependence of the Berry curvature and we point out the differences between the commonly available 3R type and 2H type bilayers. Due to the inter-layer contribution the Berry curvature becomes highly tunable in double gated devices. We study the dependence of the valley Hall and spin Hall effects on the stacking type and external electric field. Although the valley and spin Hall conductivities are not quantized, in MoS$_2$ 2H bilayers they may change sign as a function of the external electric field which is reminiscent of the behaviour of lattice Chern insulators.Comment: 19 pages, 6 figure

Breaking of valley degeneracy by magnetic field in monolayer MoSe2

Using polarization-resolved photoluminescence spectroscopy, we investigate valley degeneracy breaking by out-of-plane magnetic field in back-gated monolayer MoSe$_2$ devices. We observe a linear splitting of $-0.22 \frac{\text{meV}}{\text{T}}$ between luminescence peak energies in $\sigma_{+}$ and $\sigma_{-}$ emission for both neutral and charged excitons. The optical selection rules of monolayer MoSe$_2$ couple photon handedness to the exciton valley degree of freedom, so this splitting demonstrates valley degeneracy breaking. In addition, we find that the luminescence handedness can be controlled with magnetic field, to a degree that depends on the back-gate voltage. An applied magnetic field therefore provides effective strategies for control over the valley degree of freedom.Comment: expanded discussion section, corrected typo in eq.

Crossover from weakly indirect to direct excitons in atomically thin films of InSe

We perform a $\mathbf{k \cdot p}$ theory analysis of the spectra of the lowest energy and excited states of the excitons in few-layer atomically thin films of InSe taking into account in-plane electric polarizability of the film and the influence of the encapsulation environment. For the thinner films, the lowest-energy state of the exciton is weakly indirect in momentum space, with its dispersion showing minima at a layer-number-dependent wave number, due to an inverted edge of a relatively flat topmost valence band branch of the InSe film spectrum and we compute the activation energy from the momentum dark exciton ground state into the bright state. For the films with more than seven In$_2$Se$_2$ layers, the exciton dispersion minimum shifts to $\Gamma$-point.Comment: 12 pages, 7 figure