[論文レビュー] Substrate screening effects on the quasiparticle band gap and defect charge transition levels in MoS$_2$

Mit H. Naik, Manish Jain|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|Oct 26, 2017

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、DFT+GW形式を用いて、モノレイヤーMoS₂における準粒子バンドギャップおよび硫黄空位欠陥の電荷遷移準位（CTLs）に対する基板スクリーニング効果を調査した。金属的基板（グラフェンやグラファイト）は、準粒子ギャップを最大530 meV低減することが判明した。一方、(0/-1) CTLはバンドギャップに応じてシフトするが、(+1/0) CTLは価電子帯最大値から100 meV以内にピン留めされ、光エレクトロニクスおよび触媒応用のための欠陥準位の基板ベースの工学的制御が可能であることを示した。

ABSTRACT

Monolayer MoS$_2$ has emerged as an interesting material for nanoelectronic and optoelectronic devices. The effect of substrate screening and defects on the electronic structure of MoS$_2$ are important considerations in the design of such devices. Here, we present ab initio density functional theory (DFT) and GW calculations to study the effect of substrate screening on the quasiparticle band gap and defect charge transition levels (CTLs) in monolayer MoS$_2$. We find a giant renormalization to the free-standing quasiparticle band gap by 350 meV and 530 meV in the presence of graphene and graphite as substrates, respectively. Our results are corroborated by recent experimental measurements on these systems using scanning tunneling spectroscopy and photoluminescence excitation spectroscopy. Sulfur vacancies are the most abundant native defects found in MoS$_2$. We study the CTLs of these vacancies in MoS$_2$ using the DFT+GW formalism. We find (+1/0) and (0/-1) CTLs appear in the pristine band gap of MoS$_2$. Substrate screening results in renormalization of the (0/-1) level, with respect to the valence band maximum (VBM), by the same amount as the gap. This results in the pinning of the (0/-1) level about $\sim$500 meV below the conduction band minimum for the free-standing case as well as in the presence of substrates. The (+1/0) level, on the other hand, lies less than 100 meV above the VBM for all the cases.

研究の動機と目的

• モノレイヤーMoS₂における基板の誘電スクリーニングが準粒子バンドギャップに与える影響を理解すること。
• 標準的DFTの限界を超えて、MoS₂における硫黄空位欠陥の正確な電荷遷移準位（CTLs）を計算すること。
• 基板の選択が、デバイス性能の向上を目的とした欠陥エネルギー準位の工学的制御に用いられるかどうかを調査すること。
• 実験的観察によるギャップの再正規化および欠陥行動と、第一原理多体理論との間の定量的関係を提供すること。

提案手法

• 標準的DFTより高い精度で準粒子バンドギャップおよび欠陥形成エネルギーを計算するために、DFT+GW形式を採用した。
• 周期的境界条件を用いたスーパーセル計算により、さまざまな基板上に配置されたモノレイヤーMoS₂における硫黄空位をモデル化した。
• 誘電定数を変化させた誘電環境にMoS₂モノレイヤーを埋め込むことで、基板スクリーニング効果を扱った。
• 電子相関の適切な取り扱いを保証するため、準粒子エネルギー補正法を用いて電荷遷移準位（CTLs）を計算した。
• スクリーニング強度の影響を評価するために、BN、SiO₂、グラフェン、バイレイヤー・グラフェン、グラファイトを含む基板を比較した。
• 基板の有無に関わらず同一の原子的緩和を仮定することで、準粒子準位に及ぼす誘電スクリーニング効果のみを分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板スクリーニングは、モノレイヤーMoS₂の準粒子バンドギャップにどのように影響するか？
• RQ2 多体補正を用いて計算した場合、MoS₂における硫黄空位の正確な電荷遷移準位（CTLs）は何か？
• RQ3 異なる基板スクリーニング条件下で、(0/-1) CTLはバンドギャップに比例してシフトするか？
• RQ4 (+1/0) CTLは、さまざまな基板において価電子帯最大値付近にピン留めされるのか、その理由は何か？
• RQ5 基板の選択によって、水素放出反応（HER）活性の最適化を目的とした欠陥準位を工学的に制御できるか？

主な発見

• 自由状態のMoS₂の準粒子バンドギャップは、グラファイト基板の存在下で最大530 meV再正規化され、実験的STSおよび光励起分光測定と整合的である。
• (0/-1) 電荷遷移準位はバンドギャップとほぼ同じ程度に再正規化され、すべての基板配置において伝導帯最小値から500 meV下に位置する。
• (+1/0) 電荷遷移準位は、すべての基板において純粋な価電子帯最大値から100 meV以内にピン留めされ、強いスクリーニング誘導ピン留めが示唆される。
• (0/-1) CTLは安定したままであり、準粒子ギャップ内では価電子帯最大値から2.14 eV上に位置し、-1状態の安定性に関する実験的観察と整合的である。
• 基板スクリーニングにより、欠陥エネルギー準位をチューナブルに制御可能であり、水素放出反応（HER）触媒の向上を目的とした硫黄空位欠陥状態の工学的制御への道筋が示された。
• 本結果は、基板選択が欠陥準位を制御するための設計の自由度として利用可能であり、帯電欠陥に起因するキャリア散乱を低減し、MoS₂の移動度向上に寄与する可能性があることを示している。