[논문 리뷰] Mechanical properties of lateral transition metal dichalcogenide heterostructures

Sadegh Imani Yengejeh, William Wen외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 28.

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한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT) 계산을 이용하여 횡방향 전이금속디 chalcogenide(TMD) 이종구조체의 기계적 성질을 조사한다. 1H/1T' 이종구조체는 순수한 상들에 비해 기계적 강도가著히 감소함을 밝혀내며, 구조적 상 공학이 2차원 재료의 경직성을 제어할 수 있는 조절 가능한 전략을 제공한다. 나노전기기계 응용 분야에서의 응용이 가능하다.

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers attract great attention due to their specific structural, electronic and mechanical properties. The formation of their lateral heterostructures allows a new degree of flexibility in engineering electronic and optoelectronic devices. However, the mechanical properties of the lateral heterostructures are rarely investigated. In this study, a comparative investigation on the mechanical characteristics of 1H, 1T' and 1H/1T' heterostructure phases of different TMD monolayers including molybdenum disulfide (MoS2) molybdenum diselenide (MoSe2), Tungsten disulfide (WS2), and Tungsten diselenide (WSe2) was conducted by means of density functional theory (DFT) calculations. Our results indicate that the lateral heterostructures have a relatively weak mechanical strength for all the TMD monolayers. The significant correlation between the mechanical properties of the TMD monolayers and their structural phases can be used to tune their stiffness of the materials. Our findings, therefore, suggest a novel strategy to manipulate the mechanical characteristics of TMDs by engineering their structural phases for their practical applications.

연구 동기 및 목표

• 유연하고 신축성 있는 나노전자기기에서 핵심적인 횡방향 TMD 이종구조체의 기계적 거동을 이해하기 위해.
• 구조적 상(1H, 1T', 및 1H/1T')이 1층 TMD에서 기계적 강도에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• MoS2, MoSe2, WS2, WSe2가 횡방향 이종구조체 구성에서 보이는 기계적 반응을 평가하기 위해.
• 2차원 재료에서 상 공학을 통해 경직성을 조절하기 위한 설계 원칙을 수립하기 위해.

제안 방법

• Young의 모odulus 및 파손 강도를 포함한 기계적 성질을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용하였다.
• TMD 1층에서 1H 및 1T' 상을 접합하여 횡방향 이종구조체의 구조적 모델을 구축하였다.
• 기계적 안정성과 축방향 하중 조건에서의 변형 반응 평가를 위해 총에너지 및 응력 계산을 수행하였다.
• MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 등 다양한 TMD 시스템 간의 기계적 성질을 비교하였다.
• 1H/1T' 계면에서의 인터페이스 응력과 결합 재구성의 영향을 분석하여 기계적 연성의 원인을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 횡방향 1H/1T' 이종구조체의 형성이 순수한 상들에 비해 TMD 1층의 기계적 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 구조적 상(1H 대비 1T')이 TMD 이종구조체의 경직성과 파손 거동에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 이종계면에서 상 조성을 공학함으로써 기계적 성질을 얼마나 조절할 수 있는가?
• RQ4 다양한 TMD 재료(MoS2, MoSe2, WS2, WSe2) 간의 기계적 반응에 체계적인 경향성이 존재하는가?
• RQ5 횡방향 TMD 이종구조체에서 기계적 연성의 근본 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 모든 연구된 TMD 1층에서 횡방향 1H/1T' 이종구조체는 순수한 1H 또는 1T' 상들에 비해 기계적 강도가著히 감소함을 보였다.
• 기계적 강도는 1H/1T' 계면에서 가장 낮았으며, 이는 결합 재구성과 응력 국소화 때문이었다.
• 1H/1T' 이종구조체의 Young의 모odulus 값은 순수한 1H 또는 1T' 상들보다著저하되어 경직성이 감소함을 나타냈다.
• 기계적 반응은 TMD 재료 간에 체계적으로 변화하였으며, MoS2 및 WS2는 MoSe2 및 WSe2에 비해 더 뚜렷한 연성 증가를 보였다.
• 구조적 상과 기계적 성질 간에 강한 상관관계가 존재하여, 상 공학을 통한 경직성 조절이 실현 가능한 전략이 됨을 확인하였다.