[論文レビュー] Understanding and predicting trends in adsorption energetics on monolayer transition metal dichalcogenides

Brian Lee, Jameela Fatheema+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2024

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、dバンド中心やCOHP解析などの電子的・原子的構造記述子を用いて、モノレイヤー遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) における遷移金属接着原子の吸着エネルギーの予測モデルを構築した。イオン化エネルギー、電負う度、原子半径の記述子を用いた圧縮センシング手法により、MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂における吸着エネルギーの傾向を正確に予測でき、低エネルギーで安定な抵抗性スイッチングデバイスの合理的設計を可能にした。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) have recently been shown to demonstrate non-volatile resistive switching (NVRS), offering significant advantages such as high-density integration and low energy consumption due to their atomic-scale thinness. In this study, we focus on the adsorption and desorption of metal adatoms, which can modulate the electrical resistivity by several orders of magnitude. We develop material-based relationships of the adsorption energy with electronic and atomic structure descriptors by examining the effects of various transition-metal adsorbates on the surface of TMDs. Our results reveal that adsorption energies of transition metals exhibit consistent trends across different TMDs (MoS$_2$, MoSe$_2$, WS$_2$, WSe$_2$) and can be explained using simple descriptors of the atomic and electronic structure. We propose several models to describe this adsorption process, providing a deeper understanding of a crucial step in the resistive switching mechanism based on formation and dissolution of point defects. Finally, we connect our computed adsorption energies to the switching energy. These findings will help guide rational materials selection for the development of NVRS devices using 2D TMDs.

研究の動機と目的

• モノレイヤーTMDs (MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂) における遷移金属接着原子の吸着エネルギーを理解・予測し、抵抗性スイッチングエネルギーの代理指標とする。
• 異なるTMDsおよび遷移金属間で吸着エネルギーの傾向と相関する材料記述子を同定する。
• 完全なDFT計算を必要としない原子ベースの記述子を用いて、吸着エネルギーの予測モデルを構築する。
• 計算された吸着エネルギーを抵抗性メモリデバイスのスイッチングエネルギーと関連付け、材料選定に活用する。

提案手法

• 30種類の遷移金属接着原子が4種類のTMDsにおける既存の陰イオン空孔に吸着するエネルギーを、密度汎関数理論(DFT)計算により算出した。
• 吸着エネルギーの傾向を説明するための主要な電子的記述子として、フェルミ準位に対するdバンド中心を用いた。
• 接着原子とS原子間の結合および反結合相互作用を定量化するために、結晶軌道ハミルトニアンポピュレーション(COHP)解析を実施した。
• 吸着原子および吸着サイトのイオン化エネルギー、電負う度、原子半径の複合記述子を用いて、予測モデルを導出するため、圧縮センシング(SISSO)を適用した。
• 周期律表における族位置と吸着エネルギーの傾向を関連付けることで、初期、中位、後期遷移金属における系統的な変化を明らかにした。
• 予測モデルはDFTデータに対して検証され、追加のDFT計算を要せず、吸着エネルギーの大部分の変動を捉えられていた。

Figure 1: (a) Periodic table highlighting the elements studied in this work. Adatoms investigated for adsorption on transition metal dichalcogenides (TMDs) are marked in green. The transition metal (M) and chalcogen (X) elements in the MX 2 configuration are highlighted in purple and yellow, respect

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移金属接着原子の吸着エネルギーは、モノレイヤーTMDs (MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂) 間でどのように変化するか？
• RQ2 TMDs間で観察された吸着エネルギーの傾向を説明する電子的および原子的構造記述子は何か？
• RQ3 機械学習にインspiredされた圧縮センシング手法を用いて、基本的な原子的性質のみを用いて絶対的吸着エネルギーを正確に予測できるか？
• RQ4 dバンド中心およびCOHP解析は、吸着サイトにおける結合の性質をどのように示すか？
• RQ5 吸着エネルギーと抵抗性メモリデバイスにおけるスイッチングエネルギーの関係は何か？

主な発見

• 吸着エネルギーは遷移金属の周期的族に従って系統的に変化する：初期遷移金属（Hf、Zr、Ti）は強い吸着を示し（例：Wで-7.78 eV）、後期遷移金属（Cu、Au、Ag、Zn、Cd、Hg）は弱い吸着を示す（例：Cuで-2.96 eV）。
• フェルミ準位に対するdバンド中心は、異なるTMDsおよび接着原子間で吸着エネルギーの傾向をほとんど捉える強力な記述子である。
• COHP解析により、初期遷移金属と硫黄原子間の結合相互作用が強く、後期遷移金属では反結合性の特徴が支配的であることが明らかになった。
• イオン化エネルギー、電負う度、原子半径の記述子を用いた圧縮センシング(SISSO)モデルは、DFT計算を一切要せず、絶対的吸着エネルギーを正確に予測できた。
• 銅(Cu)とニッケル(Ni)は低い吸着エネルギー（-2.96 eVおよび-4.01 eV）を示し、低エネルギーで可逆的な抵抗性スイッチングに適している。タングステン(W)およびモリブデン(Mo)は高い吸着エネルギー（-7.78 eV）を示し、安定で非揮発性の状態を好む。
• 本研究は、高スループットデータベースにおける欠陥スクリーニングのフレームワークを提供し、抵抗性スイッチング、触媒、センシングの分野における材料発見を加速する。

Figure 2: Relaxed atomic structures of MoS 2 with (a) a single sulfur vacancy, (b) gold adsorbate, (c) platinum adsorbate, (d) zirconium adsorbate. The distances between the nearest neighbor molybdenum atoms in each structure are indicated.