Skip to main content
SUPERVISOR
Farhad Fazileh,Farhad Shahbazi
فرهاد فضیله (استاد راهنما) فرهاد شهبازی دستجرده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Esmaeil Taghizadeh Sisakht
اسماعیل تقی زاده سی سخت

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Tight-binding investigation of the electronic properties of phosphorene and phosphorene nanoribbons
In this thesis, we will theoretically investigate the low-energy electronic properties of monolayer phosphorene using the tight-binding approach. We will specially focus on the topological properties of this system. To investigate these topological features, we will first review the basic theories of systems with and without time reversal symmetry Also, we will introduce efficient numerical methods for computing relevant topological invariants which are very useful for characterization of the topology of complicated band structures. We will numerically implement these methods to well- known models and compare the obtained topological phase diagrams with analytic results to demonstrate the validity of our algorithm. Then, we will start by introducing the tight-binding (TB) model of monolayer phosphorene (MLP). The band structure and effective masses of MLP near the gap are presented based on the TB model, and it is shown that the dispersion is relativistic along the armchair direction. Thereafter, numerical data for this model are presented for zigzag and armchair phosphorene nanoribbons, and the emergence of flat bands in zigzag phosphorene nanoribbons is discussed. The scaling behavior of band gaps with ribbon width is presented and the obtained results are compared with those of the other methods. Next, the behavior of MLP in the presence of a perpendicular magnetic field which breaks the time-reversal symmetry is discussed. Our goal is to address the debating field dependence of Landau levels in MLP. Using a simple approach, we will demonstrate that the Landau levels dependence on magnetic field is indeed as for conventional 2D semiconductor electron gases. We show that the results are valid up to very high field regime. Then, we will discuss the conditions for which such a dependence can continuously evolve into another field dependence. Finally, the effective low-energy TB model Hamiltonian including the SOC terms for MLP is obtained. Then, we will study the effect of axial strains on the band structure produced by this model and our results are compared with DFT results. We will show a topological phase transition in the electronic properties of phosphorene in the presence of particular types of strain and the characteristics of corresponding edge states in zPNRs will be discussed.
در این پایان‌نامه، با الهام گرفتن از خواص جالب مطرح شده درباره فسفرن تک‌لایه و چند‌لایه، برخی از ویژگی‌های الکترونی انرژی-پایین فسفرن تک‌لایه را با استفاده از رهیافت تنگابست مطالعه نموده‌ایم. بخش عمده‌ای از این پژوهش، بر خواص توپولوژیک این سیستم متمرکز است. از این رو، در بخش ابتدایی این پایان‌نامه برخی از مبانی نظری مربوط به خواص توپولوژیک سیستم‌های با تقارن وارونی زمانی و بدون تقارن وارونی زمانی را مورد بازنگری قرار داده‌ایم. همچنین، روش‌های عددی کارایی جهت محاسب? ناوردا‌های توپولوژیک معرفی می‌شوند که برای توصیف توپولوژی ساختارهای نواری پیچیده، بسیار مناسب‌اند. این روش‌های عددی را برای مدل‌های شناخته‌شده به کار خواهیم گرفت و نتایج حاصله را با محاسبات تحلیلی مقایسه خواهیم نمود. این مقایسه‌ها نشان می‌دهند که الگوریتم‌های مورد استفاد? ما کاملاً معتبر بوده و بنابراین، جهت استفاده در سیستم‌ مورد نظر در این پژوهش، قابل اتکا هستند. از این رو، در ادام? این پژوهش، ابتدا با معرفی مدل تنگابست فسفرن به بررسی و تحلیل برخی ویژگی‌های اساسی فسفرن مانند ساختار نواری و ویژگی‌های انحنای نوارها در راستاهای مختلف تقارنی، جرم‌های مؤثر و توصیف ویژه حالت‌ها خواهیم پرداخت. سپس، با استفاده این مدل، ساختار نواری انواع نانونوار‌های فسفرن را مورد بررسی قرار خواهیم داد. قوانین مقیاس‌بندی شکاف انرژی بر حسب عرض نوار، مورد دیگری است که با استفاده از مدل تنگابست محاسبه خواهند شد و با نتایج نظریه تابعی چگالی مقایسه می‌گردند. همچنین، ترابرد الکترونی در نانونوار‌های فسفرن و اثر میدان الکتریکی بر این نانونوار‌ها به منظور مشاهد? اثر ترانزیستوری بررسی خواهد شد. در ادامه‌، رفتار فسفرن تک‌لایه در حضور میدان مغناطیسی عمودی که شکنند? تقارن وارونی زمانی است، تحلیل خواهد شد. رفتار سیستم در رژیم کوانتومی هال، ارتباط تنگاتنگی با ویژگی‌های ترازهای لاندائوی آن، دارد. بستگی ترازهای لاندائو به میدان مغناطیسی در فسفرن تک‌لایه موضوعی مورد بحث است. هدف اصلی این بخش از پژوهش آن است که این موضوع را با نگاهی ساده، مورد مطالعه قرار دهیم. ثابت خواهیم نمودکه رفتار ترازهای لاندائو در این سیستم کاملاً شبیه رفتار گاز‌های الکترونی در دیگر نیم‌رسانا‌های مرسوم دو‌بعدی است. نشان می‌دهیم که این نتیجه حتی به ازای میدان‌های مغناطیسی خیلی بزرگ نیز برقرار است. همچنین، شرایطی را مورد بحث قرار خواهیم داد که تحت آنها، این بستگی می‌تواند به طور پیوسته‌ای به دیگر بستگی‌‌ها، تبدیل شود. در بخش انتهایی این پایان‌نامه، یک مدل تنگابست انرژی-پایین که برهم‌کنش اسپین‌-مدار را نیز شامل می‌شود، برای فسفرن تک‌لایه پیشنهاد خواهیم داد. سپس، اثر کرنش‌های محوری را بر ساختار الکترونی تنگابست سیستم بررسی نموده و گذار فاز توپولوژیک محتمل در خواص الکترونی آن را با استفاده از این مدل مطالعه خواهیم نمود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی