Do confinamento quântico à energia solar : explorando o potencial de alótropos de carbono 2D e heterobicamadas de Van der Waals rotacionadas

Abstract

Motivados pelos avanços experimentais recentes que detectaram excítons de Moiré— estados ligados formados por pares elétron-buraco em heterobicamadas rotacionadasde van der Waals (vdW) —, esta tese investiga as propriedades excitônicas em hetero bicamadas de dicalcogenetos de metais de transição (MoSe2/WSe2). A rotação entre as camadas gera padrões de Moiré na rede cristalina, que se assemelham a superredes artificiais do tipo favo-de-mel no plano das camadas. Esses padrões resultam em uma estruturade bandas excitônicas de baixa energia com dispersão análoga a cones de Dirac, mas com apresença de um gap de energia não nulo. Além disso, a rotação cria regiões com distâncias intercamadas e tipos de empilhamento variados, formando mínimos de energia distintos. A aplicação de um campo elétrico perpendicular às camadas ajusta as bandas de Moiré epode até mesmo fechar o bandgap excitônico, gerando cones de Dirac sem gap. Além das heteroestruturas, este trabalho explora o potencial dos alótropos de carbono bi dimensionais (2D), que exibem uma notável diversidade de propriedades eletrônicas, desdecomportamentos metálicos até semicondutores com band gaps ajustáveis. Esses materiais apresentam grande potencial para aplicações em dispositivos fotovoltaicos e energias renováveis, destacando-se pela estabilidade estrutural de alguns candidatos e pela eficiência teórica de conversão solar superior a 20%. Esta análise contribui para o entendimento a profundado das propriedades fundamentais dos materiais bidimensionais, evidenciando sua relevância para tecnologias avançadas. Neste contexto, analisamos os alótropos de carbono 2D como potenciais absorvedores fotovoltaicos, empregando métodos computacionais, como teoria do funcional da densidade, tight-binding e dinâmica molecular. Foram avaliados 30 alótropos, investigando suas propriedades estruturais, eletrônicas e excitônicas, além da eficiência de conversão de energiasolar, que variou entre 7% e 30%. Os resultados destacam a viabilidade teórica desses materiais para dispositivos de colheita solar, oferecendo novas perspectivas para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis. Nesta tese, aplicamos dois potenciais dependentes da posição à junção rotacionada de uma heterobicamada MoSe2/WSe2, demonstrando teoricamente a possibilidade de definição eletrostática de nanoestruturas de confinamento, como pontos e anéis quânticos. Esses elementos introduzem um controle adicional sobre o aprisionamento de excítons de Moiré. Níveis de energia excitônicos quantizados e suas respectivas funções de onda foram calculados utilizando um modelo tight-binding e comparados com uma solução analítica derivada no modelo contínuo, empregando um potencial circularmente simétrico.