[논문 리뷰] First Principles Study of Intrinsic and Extrinsic Point Defects in Monolayer WSe2

Yujie Zheng, Su Ying Quek|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 16.

2D Materials and Applications참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 밀도함수이론 연구는 단층 WSe2 내 부착 결함과 외재 결함을 조사하여, 비자기적 금속 상태를 가진 갭 상태를 가진 Se 공백(Sevac)이 가장 안정한 내재 결함임을 밝혀냈다. 산소가 Sevac 결함 부위에 흡착될 경우 이러한 갭 상태가 완전히 제거되며, 이는 결함의 안정성을 크게 향상시키고, 산소로 패assing된 WSe2가 광전자 및 스핀트로닉스 응용 분야에 유망한 후보임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단층 WSe2 내 가장 열역학적으로 안정한 내재 및 외재 점 결함을 규명하는 것.
• 외재 첨가 원자(O, H, C)가 내재 결함의 전자 구조에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 기판(예: 그래파이트)이 결함 생성 에너지에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 결함 공학이 스핀트로닉스 및 광전자 응용 분야에 미치는 잠재력을 평가하는 것.
• 핵심 결함의 전하 이행 수준과 이온화 에너지를 계산하는 것.

제안 방법

• 전이 금속 d전자에 대해 DFT+U 보정을 적용한 GGA-PBE 기반 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 다양한 화학적 환경에서 내재 결함(Sevac, Wvac, SeW, 2Sevac)의 생성 에너지를 계산하였다.
• 순수한 및 결함이 있는 WSe2에서 산소, 수소, 탄소, 산소 분자, 수소 분자의 격자 내 및 치환 결합 특성을 조사하였다.
• 프로젝션된 상태 밀도(PDOS) 및 갭 상태 분석을 통해 전자 구조 변화를 분석하였다.
• 전하 스핀 이행 수준 방법을 사용하여 전하 이행 수준과 이온화 에너지를 계산하였다.
• 슬립 기하구조를 사용하여 그래파이트 기판 위의 WSe2를 모델링하여 기판 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단층 WSe2 내 내재 점 결함 중에서 가장 낮은 생성 에너지를 가지는 것은 무엇인가?
• RQ2 외재 첨가 원자(O, H, C)가 내재 결함과 어떻게 상호작용하며, 그 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 산소가 Se 공백과 관련된 갭 상태를 어떻게 패assing하는가?
• RQ4 수소가 SeW 결함에 결합할 경우 스핀 균형을 가진 갭 상태를 유도할 수 있는가? 이는 스핀트로닉스 응용에 유망한가?
• RQ5 결함의 전하 이행 수준과 이온화 에너지가 전자 기기에서의 거동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Se 공백(Sevac)은 내재 결함 중에서 가장 낮은 생성 에너지를 가지며, 그래파이트 기판에 의해 유의미하게 안정화되지 않는다.
• 다음으로 안정한 내재 결함인 SeW, Wvac, 2Sevac는 Sevac보다 최소 1 eV 높은 생성 에너지를 가진다.
• Sevac 부위에 산소가 흡착될 경우 갭 상태가 완전히 제거되며, 이는 H나 C로 패assing된 결함보다 열역학적 안정성이 크게 향상됨을 의미한다.
• SeW 결함에 결합된 수소는 스핀 균형 갭 상태를 유도하며, 이는 결함 공학에 기반한 스핀트로닉스 장치의 잠재력을 시사한다.
• 격자 내 수소는 효과적인 기증체로 작용하며, 산소나 탄소로 패assing된 다른 결함들은 깊은 기증체 또는 수용체로 작용한다.
• 산소는 Sevac 부위에 우선적으로 결합하며, 수소는 SeW 반대위치 결함에 우선적으로 결합한다. 산소 분자(O2)는 원자 산소와 유사한 패assing 효율성을 보였다.