Расчет методом теории функционала плотности оптоэлектронных свойств монослоев MoS, MoSe и MoSSe

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.

1. S. Z. Butler, et al., Acc. Nano, 7, 2898–2926 (2013).

2. K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett., 105, 136805 (2010).

3. Y. Li, Z. Zhou, S. Zhang, Z. Chen, J. Am. Chem. Soc., 130, 16739–16744 (2008).

4. 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).

5. 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).

6. B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotechnol., 6, 147–150 (2011).

7. L. Yang, X. Cui, J. Zhang, K. Wang, M. Shen, S. Zeng, S. A. Dayeh, L. Feng, B. Xiang, Sci. Rep., 4, 5649 (2014).

8. X. Zhu, J. Xiang, J. Li, C. Feng, P. Liu, B. Xiang, J. Colloid Interface Sci., 511, 209–214 (2018).

9. 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).

10. J. Huang, L. Yang, D. Liu, J. Chen, Q. Fu, Y. Xiong, F. Lin, B. Xiang, Nanoscale, 7, 4193–4198 (2015).

11. Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol., 7, 699–712 (2012).

12. Y. C. Lin, D. O. Dumcenco, Y. S. Huang, K. Suenaga, Nat. Nanotechnol., 9, 391–396 (2014).

13. L. Yang, H. Hong, Q. Fu, Y. Huang, J. Zhang, X. Cui, Z. Fan, K. Liu, B. Xiang, ACS-Nano, 9, 6478–6483 (2015).

14. G. Seifert, H. Terrones, M. Terrones, G. Jungnickel, T. Frauenheim, Phys. Rev. Lett., 85, 146–149 (2000).

15. 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).

16. 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).

17. 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).

18. C. Lee, H. Yan, L. E. Brus, T. F. Heinz, J. Hone, S. Ryu, ACS Nano, 4, 2695–2700 (2010).

19. 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).

20. 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).

21. 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).

22. H. J. Conley, B. Wang, J. I. Ziegler, R. F. Haglund, Jr., S. T. Pantelides, K. I. Bolotin, Nano Lett., 13, 3626–3630 (2013).

23. H. Pan, Y.-W. Zhang, J. Phys. Chem. C, 116, 11752–11757 (2012).

24. N. Mao, Y. Chen, D. Liu, J. Zhang, L. Xie, Small, 9, 1312–1315 (2013).

25. 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).

26. C. D. English, G. Shine, V. E. Dorgan, K. C. Saraswat, E. Pop, Nano Lett., 16, 3824–3830 (2016).

27. 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).

28. 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).

29. D. Jena, A. Konar, Phys. Rev. Lett., 98, 136805 (2007).

30. O. Lopez-Sanchez, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic, A. Kis, Nat. Nanotechnol., 8, 497–501 (2013).

31. Z. Yin, H. Li, L. Jiang, Y. Shi, Y. Sun, G. Lu, Q. Zhang, X. Chen, H. Zhang, ACS Nano, 6, 74–80 (2012).

32. 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).

33. F. Xia, H. Wang, D. Xiao, M. Dubey, A. Ramasubramaniam, Nat. Photonics, 8, 899–907 (2014).

34. Y. Yoon, K. Ganapathi, S. Salahuddin, Nano Lett., 11, 3768–3773 (2011).

35. D. J. Late, B. Liu, R.H. S. S. Matte, V. P. Dravid, C. N. R. Rao, ACS Nano, 6, 5635–5641 (2012).

36. 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).

37. 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).

38. P. Giannozzi, et al., J. Phys.: Cond. Matter, 21, 395502 (2009).

39. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 3865 (1996).

40. D. Vanderbilt, Phys. Rev. B, 41, 7892 (1990).

41. H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 13, 5188 (1979).

42. 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).