Grafen nano yapılarda çoklu eksiton oluşumu

Abstract

Bu tez grafen nano yapılarda ters-Auger prosesinin teorik analizini kapsamaktadır.Ters-Auger etkisi y¨uksek enerjili bir egzitondan enerji korunumunun izin verdiği ölçüde daha düşük enerjili egzitonların oluşmasıdır. Mekanizması ise Coulomb etkileşimivasıtasıyla yüksek enerjili yüklerin kinetik enerjilerinin yeni egzitonlara çevrimidir. Yığın grafen sıfır bant aralığına sahiptir, ve kristal momentuma lineer olarak bağımlı iki adet Dirac noktasına sahiptir. Grafen nano-pullarda, grafen şeritlerde periyodik olarak deliklere sahip grafen yapılarda kuantum boyut etkisi nedeniyle bir bant aralığı oluşbilmektedir. Bir band aralığının ortaya çıkması güneş pili uygulamaları için, bu yapıları uygun hale getirir. Yığın yapılar yer değiştirme altında simetriye sahip olduğu için momentum korunmakta, bu da ters-Auger hızını azaltmaktadır. Fakat nano yapılarda momentum korunumu şartının gevşemesi yanında, Coulomb etkileşiminin etkisi artmakta bu da ters-Auger hızını artırmaktadır. Bu tezde ters-Auger etkisi grafen nano yapılarda teorik olarakincelenmiştir. Bu yapıların elektronik yapılarını elde etmek ve Coulomb matris öğelerinihesaplamak için sıkı bağlanma yöntemi kullanılmıştır. Yaptığımız hesaplara göre, grafenyığınlarında ters-Auger etkisi, iletim bandındaki bir elektronun enerjisiyle yaklaşık olarak doğru orantılı bir şekilde yeni eksitonların oluşumunu sağlamaktadır.

This thesis comprises a theoretical study on the role of the inverse-Auger processin graphene nanostructures. Inverse-Auger effect (IAE) is the formation of a multitudeof low energy excitons from a single exciton of higher energy. Its mechanism is the conversion of the kinetic energy of the high energy carriers to new excitons via Coulombinteraction. Bulk graphene has zero band gap energy and has two Dirac points which islinearly dependent crystal momentum. Due to quantum confinement, graphene nanoribbonsand graphene flakes or the structures having periodically holes develop a band gap.The emergence of a band gap makes these structures eligible for solar cell applications.In bulk structures, due to translational symmetry momentum is conserved which leadsto a decreased IAE. However, in nanostructures, in addition to the relaxation of momentumconservation condition, the Coulomb interaction between the carriers increases whichleads to an enhanced IAE. In this thesis, a theoretical analysis of inverse-Auger effect iscarried out for graphene and armchair graphene nanoribbons. Tight binding method isemployed to obtain the electronic structure and to calculate the Coulomb matrix elementsfor the inverse-Auger effect in this structures. According to our calculations, inverse-Auger effect in the bulk graphene provides the formation of new excitons at a rate whichis approximately linearly proportional to the energy of an electron at the conduction band.