بررسی تاثیر مدل گاوس در بهبود ثابت گذردهی و جذب تک‌لایه‌های TMDC در ناحیه‌ی طول موج مرئی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشگاه الزهرا

2 دانشجو

چکیده

لایه‌های دوبعدی کلکوژنایدهای فلزات واسطه (TMDC) با گاف‌های نواری مستقیم در بازه‌ی طول موج مرئی و مادون قرمز نزدیک، افق جدیدی در کاربری این مواد در فوتونیک و الکترواپتیک ایجاد کرده اند. تک‌لایه‌های MoSe2، WSe2، MoS2 و WS2 به‌عنوان چند تک‌لایه از TMDCها دارای ویژگی‌های اپتیکی ویژه‌ای می‌باشند. در این مقاله ثابت گذردهی این تک‌لایه‌ها با استفاده از مدل لورنتس، لورنتس-گاوس و درود-لورنتس-گاوس بدست آمده است که تطابق بسیار خوبی با نتایج تجربی دارد. رفتار جذب این لایه‌های فوتوولتائیک همانند رفتار قسمت موهومی ثابت گذردهی تک‌لایه‌ها می‌باشد. با بررسی جذب تک‌لایه‌ها در حضور چند زیرلایه‌ مشاهده شد که استفاده از زیرلایه باعث کاهش میزان جذب می‌شود و با افزایش ضریب شکست زیرلایه میزان جذب کاهش می‌یابد. این نانولایه‌ها با جذب بالای 10 درصد در ضخامت کمتر از یک نانومتر، کاندیدای مناسبی در سلول‌های خورشیدی و کاربری‌های فوتوولتاییک هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Gauss model on improvement of permittivity and optical absorption of TMDC monolayers in the visible spectrum

نویسندگان [English]

  • Narges Ansari 1
  • Farinaz Ghorbani 2
  • Maryam Moradi 2
چکیده [English]

2-dimensional layers of transition metal dichalcogenids (TMDCs) with direct band gap in the visible and infrared range have shown open horizon in photonics and optoelectronics. Among TMDC family, MoSe2, WSe2, MoS2 and WS2 monolayers have shown special optical properties. In this paper, the permittivity constant of aforementioned monolayers are calculated based on Lorentz, Lorentz- Gauss and Lorentz –Drude-Gauss models with quite acceptable consistency to their experimental values. Optical absorption response of these photovoltaic monolayers is similar to imaginary component of their permittivity. In addition, based on investigation of optical absorption in presence of substrates, it is found that the absorption decreases which is more pronounced while refractive index of substrates increases. Such thin layers with absorption efficiency above 10% with thickness below 1 nm are suitable candidates for solar cell and photovoltaic applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "permittivity"
  • " absorption"
  • " transition metal dichalcogenides"
  • "photovoltaic"
  • "Lorentz model"
  • "Drude model"
  • "Gauss mode"l
 

[1]   K.F. Mak, J. Shan, Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides, Nature. Photonics 10(2016) 216-226.

[2]   Q.H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J.N. Coleman, M.S. Strano, Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides, Nature Nanotechnology 7 (2012) 699-712.

[3]   Y.X. Chen, C.W. Wu, T.Y. Kuo, Y.L. Chang, M.H. Jen, I.W. Chen, Large-Scale Production of Large-Size Atomically Thin Semiconducting Molybdenum Dichalcogenide Sheets in Water and Its Application for Supercapacitor, Scientific reports 6 (2016) 26660-2668.

[4]   K.L. Seyler, J.R. Schaibley, P. Gong, P. Rivera, A.M. Jones, S. Wu, J. Yan, D.G. Mandrus, W. Yao, X. Xu, Electrical control of second-harmonic generation in a WSe2 monolayer transistor, Nature Nanotechnology 10 (2015) 407-411.

[5]   H. Zeng, J. Dai, W. Yao, D. Xiao, X. Cui,Valley polarization in MoS2 monolayers by optical pumping, Nature Nanotechnology 7 (2012) 490–493.

[6]   J.A. Reyes-Retana, F. Cervantes-Sodi, Spin-orbital effects in metal-dichalcogenide semiconducting monolayers, Scientific Reports 6(2016) 24093- 24098.

[7]   Y.J. Noori, Y. Cao, J. Roberts, C. Woodhead, R. Bernardo-Gavito, P. Tovee, R.J. Young, Photonic crystals for enhanced light extraction from 2D materials, ACS Photon. 3 (2016) 2515-2520.

[8]   Z. Zheng, T. Zhang, J. Yao, Y. Zhang, J. Xu and G. Yang, Flexible transparent and ultra-broadband photodetector based on large-area WSe2 film for wearable devices, Nanotechnology 27 (2016) 225501-225512.

[9]   M.L. Tsai, M. Y. Li, Y. Shi, L.J. Chen, L.J. Li, J.H. He, High-efficiency omnidirectional photoresponses based on monolayer lateral p–n heterojunctions, Nanoscale Horizons 2 (2017) 37-42.

[10] B. Mukherjee, F. Tseng, D. Gunlycke, K. Kumar, G. Eda, E. Simsek, Complex electrical permittivity of the monolayer molybdenum disulfide (MoS2) in near UV and visible, Optical Materials Express5 (2015) 447-455.

[11]Y. Li, A. Chernikov, X. Zhang, A. Rigosi, H.M. Hill, A.M. Zande, D.A. Chenet, E.M. Shih, J. Hone, T.F. Heinz, Measurement of the optical dielectric function of monolayer transition-metal dichalcogenides: MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2, Physical Review B 90 (2014) 205422-205427.

[12]M. Weisman, N.C. Panoiu, Theoretical and computational analysis of second and third-harmonic generation in periodically patterned graphene and transition-metal dichalcogenide monolayers, Physical Review B 94 (2016) 035435.

[13] John R. Reitz, Foundations of Electromagnetic Theory, Addison Wesley, (1993).

[14]T. Zhan, X. Shi, Y. Dai, X. Liu, J. Zi, Transfer matrix method for optics in graphene layers, J. Phys.: Condens. Matter. 25 (2013) 215301-215309.

[15] P. Yeh, Optical waves in layered media, John Wiley & Sons, Inc, (2005).

[16]M.A. Green, M.J. Keevers, Optical peroperties of intrinsic silicon at 300 K, Progress in photovoltaics 3, (1995) 189-192.

[17]G. Ghosh, Dispersion-equation coefficients for the reflective index and birefringence of calcite and quartz crystals, Optics Communications 163 (1999) 95-102.