[論文レビュー] Theoretical investigation of quantum capacitance in the functionalized MoS$_2$-monolayer

T Sruthi, Nayana Devaraj+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

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ひとこと要約

本理論的研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、遷移金属吸着原子ドーピングおよびバキュオリティ欠陥を介したモノレイヤーMoS₂における量子キャパシタンスの向上を検討した。V、Co、Ni、Cuの置換型ドーピングは量子キャパシタンスを顕著に増加させ、特にVドーピングMoS₂は、フェルミ準位近くの電子状態の増加と電荷再配分に起因するフェルミ準位のシフトにより、ピークで263.721 μF/cm²に達した。

ABSTRACT

In this work, we investigated the electronic structure and the quantum capacitance of the functionalized MoS$_2$ monolayer. The functionalizations have been done by using different ad-atom adsorption on Mo$S_2$ monolayer. Density functional theory calculations are performed to obtain an accurate electronic structure of ad-atom doped MoS$_2$ monolayer with a varying degree of doping concentration. The quantum capacitance of the systems was subsequently estimated. A marked quantum capacitance above 200 $μ$F/cm$^2$ has been observed. Our calculations show that the quantum capacitance of MoS$_2$ monolayer is significantly enhanced with substitutional doping of Mo with transition metal ad-atoms. The microscopic origin of such enhancement in quantum capacitance in this system has been analyzed. Our DFT-based calculation shows that generation of new electronic states at the proximity of the band-edge and the shift of Fermi level caused by the ad-atom adsorption results in a very high quantum capacitance in the system.

研究の動機と目的

• スーパーキャパシタ応用を目的としたモノレイヤーMoS₂における量子キャパシタンスの向上を探索すること。
• 遷移金属吸着原子ドーピング（例：V、Co、Ni、Cu）が電子構造およびキャパシタンスに与える影響を調査すること。
• バキュオリティ欠陥（SおよびMo欠陥）が量子キャパシタンスをどのように変化させるかを分析すること。
• 電子構造解析を通じて、キャパシタンス向上の微視的起源を特定すること。
• 機能化MoS₂を用いた高キャパシタンス2次元電極材料の設計に理論的根拠を提供すること。

提案手法

• 交換相関エネルギーにPBE関数を用いた第一原理DFT計算をVASPパッケージを用いて実施した。
• 電子構造計算の収束性と正確性を確保するため、400 eVを超える高いエネルギーカットオフを用いた。
• 3×3スーパーセルにおいてMo原子をV、Nb、Co、Ni、Cuなどの遷移金属に置換することで、吸着原子ドーピングしたMoS₂をモデル化した。
• SまたはMo原子を除去することでバキュオリティ欠陥をシミュレートし、Sバキュオリティでは5.5%、11%、16.5%、Moバキュオリティでは11.5%の欠陥濃度を設定した。
• フェルミ準位におけるエネルギーに関する電荷の微分から、量子キャパシタンス（CQ）を計算した。
• フェルミ準位近くの電子状態とキャパシタンス増大の相関を明らかにするために、原子別密度状態（DOS）を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移金属吸着原子ドーピングは、モノレイヤーMoS₂の量子キャパシタンスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 SおよびMoのバキュオリティ欠陥は、電子構造および量子キャパシタンスをどのように変化させるか？
• RQ3 機能化MoS₂における増大した量子キャパシタンスの微視的起源は何か？
• RQ4 V、Co、Ni、Cu、NbのどのドーパントがMoS₂における最高の量子キャパシタンスをもたらすか？
• RQ5 電荷再配分およびフェルミ準位のシフトは、キャパシタンス増大にどのように寄与するか？

主な発見

• VドーピングMoS₂は、263.721 μF/cm²という最高の量子キャパシタンスを示し、200 μF/cm²の閾値を著しく上回った。
• CoドーピングMoS₂は152.794 μF/cm²の量子キャパシタンスを示したが、NiおよびCuドーピングではそれぞれ202.439および191.658 μF/cm²であった。
• Moバキュオリティ欠陥はフェルミ準位近くのDOSを著しく増大させ、11.5%の欠陥濃度で209.733 μF/cm²の量子キャパシタンスをもたらした。
• Sバキュオリティ欠陥はほとんど影響を及ぼさず、最大で16.5%の濃度で33.665 μF/cm²のキャパシタンスにとどまった。
• 量子キャパシタンスの増大は、吸着原子からの電荷移動に起因するフェルミ準位のシフトと、フェルミ準位近くの電子状態の増加に起因する。
• バンド端付近に出現する新しい電子状態およびドーピングに起因する電荷再配分が、観察されたキャパシタンス増大の主なメカニズムである。