zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1572Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESРасчет методом теории функционала плотности оптоэлектронных свойств монослоев MoS, MoSe и MoSSeDensity Functional Theory Investigations of Optoelectronic Characteristics of MoS, MoSe, and MoSSe MonolayersAlshammariA.AlshammariA.

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

AlshehriH.AlshehriH.

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

BarakatF.BarakatF.

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

LarefA.LarefA.

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

Department of Physics and Astronomy, College of Science, 

Riyadh

King Saud UniversityKing Saud University202429052024913458458Copyright © Alshammari A., Alshehri H., Barakat F., Laref A., 20242024Alshammari A., Alshehri H., Barakat F., Laref A.Alshammari A., Alshehri H., Barakat F., Laref A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1572

Проведено сравнительное исследование электронной структуры, а также оптических спектров монослойных дихалькогенидов переходных металлов MoS2, MoSe2 и MoSSe. Методом теории функционала плотности (DFT) на плоскости выполнено псевдопотенциальное моделирование структурного поведения монослойных материалов MoS2, MoSe2, а также MoSSe. Теоретическое моделирование проводилось с использованием пакетов пакета Quantum Espresso. Структурные свойства этих двумерных слоистых материалов рассчитаны с использованием обобщенного градиентного приближения (GGA) для члена обменно-корреляционного функционала. Атомы Mo, S и Se представлены с помощью ультрамягких псевдопотенциалов Вандербильта, а поправки на полуостовы включены для моделирования их структурных гексагональных фаз. Спектры оптического поглощения двумерных монослойных дихалькогенидов переходных металлов охватывают видимый и ИК-диапазоны, причем поглощение происходит при энергиях от 1.6 до 1.8 эВ, что указывает на их полупроводниковую природу. Оптическое поведение делает двумерные материалы перспективными для использования в оптоэлектронных устройствах и солнечных элементах.

Two-dimensional (2D) layer materials have illustrated prominent interest with various usages in optoelectronics, nanoelectronics, and solar cells. Numerous physical behaviors of 2D materials have been explored for a category of monolayer transition metal dichalcogenides (TMDCs). These involve molybdenum disulfide (MoS2), molybdenum diselenite (MoSe2) and MoSSe janus monolayers that have gained remarkable interest because of their distinguished optoelectronic features. Particularly, the band gap transitions of these TMDC materials undergo from indirect band gap transition to direct one by reducing the dimension from the bulk-counterpart to their MoS2, MoSe2, and MoSSe monolayers, respectively. To this end, we conducted a comparative investigation and analysis of the electronic structure behaviors as well as optical spectra of MoS2, MoSe2, and MoSSe monolayers. The optical absorption spectra of these 2D-materials are ranging between the infrared (IR) and visible regimes for MoS2, MoSe2, and MoSSe sheets and the absorption of light emerges between 1.6 and 1.8 eV, corresponding to their semiconducting character. These 2D-materials are potential candidates for solar cells and optoelectronic applications.

оптический спектрдихалькогениды 2D-переходных металловэлектростатический потенциалоптоэлектронные устройстваoptical spectra2D-transition metal dichalcogenideselectrostatic potentialopto-electronic devicesReferencesS. Z. Butler, et al., Acc. Nano, 7, 2898–2926 (2013).S. Z. Butler, et al., Acc. Nano, 7, 2898–2926 (2013).K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett., 105, 136805 (2010).K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett., 105, 136805 (2010).Y. Li, Z. Zhou, S. Zhang, Z. Chen, J. Am. Chem. Soc., 130, 16739–16744 (2008).Y. Li, Z. Zhou, S. Zhang, Z. Chen, J. Am. Chem. Soc., 130, 16739–16744 (2008).Z. X. Gan, L. Z. Liu, H. Y. Wu, Y. L. Hao, Y. Shan, X. L. Wu, P. K. Chu, Appl. Phys. Lett., 106, 233113 (2015).Z. X. Gan, L. Z. Liu, H. Y. Wu, Y. L. Hao, Y. Shan, X. L. Wu, P. K. Chu, Appl. Phys. Lett., 106, 233113 (2015).K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, A. K. Geim, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 10451–10453 (2005).K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, A. K. Geim, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 10451–10453 (2005).B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotechnol., 6, 147–150 (2011).B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotechnol., 6, 147–150 (2011).L. Yang, X. Cui, J. Zhang, K. Wang, M. Shen, S. Zeng, S. A. Dayeh, L. Feng, B. Xiang, Sci. Rep., 4, 5649 (2014).L. Yang, X. Cui, J. Zhang, K. Wang, M. Shen, S. Zeng, S. A. Dayeh, L. Feng, B. Xiang, Sci. Rep., 4, 5649 (2014).X. Zhu, J. Xiang, J. Li, C. Feng, P. Liu, B. Xiang, J. Colloid Interface Sci., 511, 209–214 (2018).X. Zhu, J. Xiang, J. Li, C. Feng, P. Liu, B. Xiang, J. Colloid Interface Sci., 511, 209–214 (2018).Y.-H. Lee, L. Yu, H. Wang, W. Fang, X. Ling, Y. Shi, C.-T. Lin, J.-K. Huang, M.-T. Chang, C.-S. Chang, et al., Nano Lett., 13, 1852–1857 (2013).Y.-H. Lee, L. Yu, H. Wang, W. Fang, X. Ling, Y. Shi, C.-T. Lin, J.-K. Huang, M.-T. Chang, C.-S. Chang, et al., Nano Lett., 13, 1852–1857 (2013).J. Huang, L. Yang, D. Liu, J. Chen, Q. Fu, Y. Xiong, F. Lin, B. Xiang, Nanoscale, 7, 4193–4198 (2015).J. Huang, L. Yang, D. Liu, J. Chen, Q. Fu, Y. Xiong, F. Lin, B. Xiang, Nanoscale, 7, 4193–4198 (2015).Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol., 7, 699–712 (2012).Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol., 7, 699–712 (2012).Y. C. Lin, D. O. Dumcenco, Y. S. Huang, K. Suenaga, Nat. Nanotechnol., 9, 391–396 (2014).Y. C. Lin, D. O. Dumcenco, Y. S. Huang, K. Suenaga, Nat. Nanotechnol., 9, 391–396 (2014).L. Yang, H. Hong, Q. Fu, Y. Huang, J. Zhang, X. Cui, Z. Fan, K. Liu, B. Xiang, ACS-Nano, 9, 6478–6483 (2015).L. Yang, H. Hong, Q. Fu, Y. Huang, J. Zhang, X. Cui, Z. Fan, K. Liu, B. Xiang, ACS-Nano, 9, 6478–6483 (2015).G. Seifert, H. Terrones, M. Terrones, G. Jungnickel, T. Frauenheim, Phys. Rev. Lett., 85, 146–149 (2000).G. Seifert, H. Terrones, M. Terrones, G. Jungnickel, T. Frauenheim, Phys. Rev. Lett., 85, 146–149 (2000).S. Helveg, J. V. Lauritsen, E. Lægsgaard, I. Stensgaard, J. K. Nørskov, B. S. Clausen, H. Topsøe, F. Besenbacher, Phys. Rev. Lett., 84, 951–954 (2000).S. Helveg, J. V. Lauritsen, E. Lægsgaard, I. Stensgaard, J. K. Nørskov, B. S. Clausen, H. Topsøe, F. Besenbacher, Phys. Rev. Lett., 84, 951–954 (2000).C. Kisielowski, Q. M. Ramasse, L. P. Hansen, M. Brorson, A. Carlsson, A. M. Molenbroek, H. Topsøe, S. Helveg, Angew. Chem. Int. Ed., 122, 2768–2770 (2010).C. Kisielowski, Q. M. Ramasse, L. P. Hansen, M. Brorson, A. Carlsson, A. M. Molenbroek, H. Topsøe, S. Helveg, Angew. Chem. Int. Ed., 122, 2768–2770 (2010).S. Najmaei, Z. Liu, W. Zhou, X. Zou, G. Shi, S. Lei, B. I. Yakobson, J. C. Idrobo, P. M. Ajayan, J. Lou, Nat. Mater., 12, 754–759 (2013).S. Najmaei, Z. Liu, W. Zhou, X. Zou, G. Shi, S. Lei, B. I. Yakobson, J. C. Idrobo, P. M. Ajayan, J. Lou, Nat. Mater., 12, 754–759 (2013).C. Lee, H. Yan, L. E. Brus, T. F. Heinz, J. Hone, S. Ryu, ACS Nano, 4, 2695–2700 (2010).C. Lee, H. Yan, L. E. Brus, T. F. Heinz, J. Hone, S. Ryu, ACS Nano, 4, 2695–2700 (2010).J.-K. Huang, J. Pu, C.-L. Hsu, M.-H. Chiu, Z.-Y. Juang, Y.-H. Chang, W. H. Chang, Y. Iwasa, T. Takenobu, L.-J. Li, ACS Nano, 8, 923–930 (2014).J.-K. Huang, J. Pu, C.-L. Hsu, M.-H. Chiu, Z.-Y. Juang, Y.-H. Chang, W. H. Chang, Y. Iwasa, T. Takenobu, L.-J. Li, ACS Nano, 8, 923–930 (2014).Y. Chen, J. Xi, D. O. Dumcenco, Z. Liu, K. Suenaga, D. Wang, Z. Shuai, Y.-S. Huang, L. Xie, ACS Nano, 7, 4610–4616 (2013).Y. Chen, J. Xi, D. O. Dumcenco, Z. Liu, K. Suenaga, D. Wang, Z. Shuai, Y.-S. Huang, L. Xie, ACS Nano, 7, 4610–4616 (2013).A. Castellanos-Gomez, R. Roldán, E. Cappelluti, M. Buscema, F. Guinea, H. S. J. van der Zant, G. A. Steele, Nano Lett., 13, 5361–5366 (2013).A. Castellanos-Gomez, R. Roldán, E. Cappelluti, M. Buscema, F. Guinea, H. S. J. van der Zant, G. A. Steele, Nano Lett., 13, 5361–5366 (2013).H. J. Conley, B. Wang, J. I. Ziegler, R. F. Haglund, Jr., S. T. Pantelides, K. I. Bolotin, Nano Lett., 13, 3626–3630 (2013).H. J. Conley, B. Wang, J. I. Ziegler, R. F. Haglund, Jr., S. T. Pantelides, K. I. Bolotin, Nano Lett., 13, 3626–3630 (2013).H. Pan, Y.-W. Zhang, J. Phys. Chem. C, 116, 11752–11757 (2012).H. Pan, Y.-W. Zhang, J. Phys. Chem. C, 116, 11752–11757 (2012).N. Mao, Y. Chen, D. Liu, J. Zhang, L. Xie, Small, 9, 1312–1315 (2013).N. Mao, Y. Chen, D. Liu, J. Zhang, L. Xie, Small, 9, 1312–1315 (2013).G. H. Ahn, M. Amani, H. Rasool, D.-H. Lien, J. P. Mastandrea, J. W. Ager III, M. Dubey, D. C. Chrzan, A. M. Minor, A. Javey, Nat. Commum., 8, 608 (2017).G. H. Ahn, M. Amani, H. Rasool, D.-H. Lien, J. P. Mastandrea, J. W. Ager III, M. Dubey, D. C. Chrzan, A. M. Minor, A. Javey, Nat. Commum., 8, 608 (2017).C. D. English, G. Shine, V. E. Dorgan, K. C. Saraswat, E. Pop, Nano Lett., 16, 3824–3830 (2016).C. D. English, G. Shine, V. E. Dorgan, K. C. Saraswat, E. Pop, Nano Lett., 16, 3824–3830 (2016).X. Ling, Y. Lin, Q. Ma, Z. Wang, Y. Song, L. Yu, S. Huang, W. Fang, X. Zhang, A. L. Hsu, et al., Adv. Mater., 28, 2322–2329 (2016).X. Ling, Y. Lin, Q. Ma, Z. Wang, Y. Song, L. Yu, S. Huang, W. Fang, X. Zhang, A. L. Hsu, et al., Adv. Mater., 28, 2322–2329 (2016).K. Xu, D. Chen, F. Yang, Z. Wang, L. Yin, F. Wang, R. Cheng, K. Liu, J. Xiong, Q. Liu, et al., Nano Lett., 17, 1065–1070 (2017).K. Xu, D. Chen, F. Yang, Z. Wang, L. Yin, F. Wang, R. Cheng, K. Liu, J. Xiong, Q. Liu, et al., Nano Lett., 17, 1065–1070 (2017).D. Jena, A. Konar, Phys. Rev. Lett., 98, 136805 (2007).D. Jena, A. Konar, Phys. Rev. Lett., 98, 136805 (2007).O. Lopez-Sanchez, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic, A. Kis, Nat. Nanotechnol., 8, 497–501 (2013).O. Lopez-Sanchez, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic, A. Kis, Nat. Nanotechnol., 8, 497–501 (2013).Z. Yin, H. Li, L. Jiang, Y. Shi, Y. Sun, G. Lu, Q. Zhang, X. Chen, H. Zhang, ACS Nano, 6, 74–80 (2012).Z. Yin, H. Li, L. Jiang, Y. Shi, Y. Sun, G. Lu, Q. Zhang, X. Chen, H. Zhang, ACS Nano, 6, 74–80 (2012).R. Cheng, D. Li, H. Zhou, C. Wang, A. Yin, S. Jiang, Y. Liu, Y. Chen, Y. Huang, X. Duan, Nano Lett., 14, 5590–5597 (2014).R. Cheng, D. Li, H. Zhou, C. Wang, A. Yin, S. Jiang, Y. Liu, Y. Chen, Y. Huang, X. Duan, Nano Lett., 14, 5590–5597 (2014).F. Xia, H. Wang, D. Xiao, M. Dubey, A. Ramasubramaniam, Nat. Photonics, 8, 899–907 (2014).F. Xia, H. Wang, D. Xiao, M. Dubey, A. Ramasubramaniam, Nat. Photonics, 8, 899–907 (2014).Y. Yoon, K. Ganapathi, S. Salahuddin, Nano Lett., 11, 3768–3773 (2011).Y. Yoon, K. Ganapathi, S. Salahuddin, Nano Lett., 11, 3768–3773 (2011).D. J. Late, B. Liu, R.H. S. S. Matte, V. P. Dravid, C. N. R. Rao, ACS Nano, 6, 5635–5641 (2012).D. J. Late, B. Liu, R.H. S. S. Matte, V. P. Dravid, C. N. R. Rao, ACS Nano, 6, 5635–5641 (2012).C.-H. Lee, G.-H. Lee, A. M. van der Zande, W. Chen, Y. Li, M. Han, X. Cui, G. Arefe, C. Nuckolls, T. F. Heinz, et al., Nat. Nanotechnol., 9, 676–681 (2014).C.-H. Lee, G.-H. Lee, A. M. van der Zande, W. Chen, Y. Li, M. Han, X. Cui, G. Arefe, C. Nuckolls, T. F. Heinz, et al., Nat. Nanotechnol., 9, 676–681 (2014).K. Masuko, M. Shigematsu, T. Hashiguchi, D. Fujishima, M. Kai, N. Yoshimura, T. Yamaguchi, Y. Ichihashi, T. Mishima, N. Matsubara, et al., IEEE J. Photovolt., 4, 1433–1435 (2014).K. Masuko, M. Shigematsu, T. Hashiguchi, D. Fujishima, M. Kai, N. Yoshimura, T. Yamaguchi, Y. Ichihashi, T. Mishima, N. Matsubara, et al., IEEE J. Photovolt., 4, 1433–1435 (2014).P. Giannozzi, et al., J. Phys.: Cond. Matter, 21, 395502 (2009).P. Giannozzi, et al., J. Phys.: Cond. Matter, 21, 395502 (2009).J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 3865 (1996).J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 3865 (1996).D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 41, 7892 (1990).D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 41, 7892 (1990).H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 13, 5188 (1979).H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 13, 5188 (1979).J. P. Perdew, A. Ruzsinszky, G. Csonka, O. A. Vydrov, G. E. Scuseria, L. A. Constantin, X. Zhou, K. Burke, Phys. Rev. Lett., 100, 136406 (2008).J. P. Perdew, A. Ruzsinszky, G. Csonka, O. A. Vydrov, G. E. Scuseria, L. A. Constantin, X. Zhou, K. Burke, Phys. Rev. Lett., 100, 136406 (2008).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.