[論文レビュー] First Principles Study of Intrinsic and Extrinsic Point Defects in Monolayer WSe2

Yujie Zheng, Su Ying Quek|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2019

2D Materials and Applications参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

この第一原理的密度汎関数理論研究では、モノレイヤーWSe2における内在的および外部的点欠陥を調査し、Se欠陥（Sevac）が非磁性ギャップ状態を示す最も安定な内在的欠陥であることが明らかになった。O2吸着はこれらのギャップ状態を完全に除去し、欠陥の安定性を著しく向上させ、Oでポスト処理されたWSe2が光エレクトロニクスおよびスピントロニクス応用の有望な候補であることを示唆している。

ABSTRACT

We present a detailed first principles density functional theory study of intrinsic and extrinsic point defects in monolayer (ML) WSe2. Among the intrinsic point defects, Se vacancies (Sevac) have the lowest formation energy (disregarding Se adatoms that can be removed with annealing). The defects with the next smallest formation energies (at least 1 eV larger) are SeW (Se substituting W atoms in an antisite defect), Wvac (W vacancies) and 2Sevac (Se divacancies). All these intrinsic defects have gap states that are not spin-polarized. The presence of a graphite substrate does not change the formation energies of these defects significantly. For the extrinsic point defects, we focus on O, O2, H, H2 and C interacting with perfect WSe2 and its intrinsic point defects. The preferred binding site in perfect WSe2 is the interstitial site for atomic O, H and C. These interstitial defects have no gap states. The gap states of the intrinsic defects are modified by interaction with O, O2, H, H2 and C. In particular, the gap states of Sevac and 2Sevac are completely removed by interaction with O and O2. This is consistent with the significantly larger stability of O-related defects compared to H- and C-related defects. The preferred binding site for O is Sevac, while that for H is SeW. H bonded to SeW results in spin-polarized gap states, which may be useful in defect engineering for spintronics applications. The charge transition levels and ionization energies of these defects are also computed. H in the interstitial site is an effective donor, while all the other defects are deep donors or acceptors in isolated WSe2 ML.

研究の動機と目的

• モノレイヤーWSe2における最も熱力学的に安定な内在的および外部的点欠陥を特定すること。
• 外部の原子（O、H、C）が内在的欠陥の電子構造に与える影響を理解すること。
• 基板（例えば、グラファイト）が欠陥形成エネルギーミスに与える影響を評価すること。
• 欠陥工学がスピントロニクスおよび光エレクトロニクス応用に与える可能性を評価すること。
• 主要な欠陥の電荷遷移準位およびイオン化エネルギーを計算すること。

提案手法

• 遷移金属d電子にDFT+U補正を施したGGA-PBE汎関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用。
• さまざまな化学ポテンシャル下での内在的欠陥（Sevac、Wvac、SeW、2Sevac）の形成エネルギーを計算。
• 完全なおよび欠陥を有するWSe2におけるO、H、C、O2、H2の格子間および置換結合を調査。
• 投影密度状態（PDOS）およびギャップ状態解析を用いて電子構造の変化を分析。
• 電荷スピン遷移準位法を用いて電荷遷移準位およびイオン化エネルギーを計算。
• スラブ幾何学を用いてグラファイト層上にWSe2をモデル化することで基板効果を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーWSe2におけるどの内在的点欠陥が最小の形成エネルギーを示すか？
• RQ2 外部の原子（O、H、C）はどのように内在的欠陥と相互作用し、それらの電子的性質をどのように変化させるか？
• RQ3 酸素はSe欠陥に関連するギャップ状態をどのように不活性化するか？
• RQ4 HがSeW欠陥に結合することでスピン極化ギャップ状態を誘導し、スピントロニクス応用に適した可能性を示唆するか？
• RQ5 欠陥の電荷遷移準位およびイオン化エネルギーは、電子素子における挙動にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Se欠陥（Sevac）は、内在的欠陥の中で最小の形成エネルギーを示し、グラファイト基板による安定化は顕著でない。
• 次に安定な内在的欠陥（SeW、Wvac、2Sevac）は、いずれもSevacよりも少なくとも1 eV高い形成エネルギーを示す。
• Sevac部位における酸素吸着はギャップ状態を完全に除去し、HまたはCでポスト処理された欠陥と比較して著しく高い熱力学的安定性を示す。
• SeW欠陥に結合したHはスピン極化ギャップ状態を誘導し、欠陥工学によるスピントロニクス素子の可能性を示唆する。
• 格子間Hは効果的なドーナーとして機能するが、他の欠陥（OやCでポスト処理されたものも含む）は深いドーナーやアクセプターである。
• OはSevac部位に優先して結合するが、HはSeW反位点欠陥に優先して結合する。O2は原子Oと同程度の不活性化効果を示す。