[논문 리뷰] 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)|2017. 10. 26.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 DFT+GW 형식을 사용하여 단층 MoS₂에서 기질 스크리닝 효과가 준입자 밴드 갭과 황 공석 결함의 전하 전이 수준(CTLs)에 미치는 영향을 조사한다. 금속성 기질인 그래핀과 고체 그래파이트는 준입자 갭을 최대 530 meV 감소시킨다. (0/-1) CTL은 밴드 갭과 함께 이동하며, (+1/0) CTL은 최대 100 meV 이내로 밴드 최상단에 고정되어 있어 광전자 및 촉매 응용 분야에서 기질 기반 결함 수준의 공학이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기질 유전율 스크리닝이 단층 MoS₂의 준입자 밴드 갭에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 표준 DFT의 한계를 넘어서 MoS₂에서 황 공석 결함의 정확한 전하 전이 수준(CTLs)을 계산하기 위해.
• 기질 선택이 장치 성능 향상을 위해 결함 에너수 수준을 공학하는 데 사용될 수 있는지 조사하기 위해.
• 실험적 관측된 갭 재정렬 및 결함 거동과 제1원리 다체 이론 간의 정량적 연관성을 제공하기 위해.

제안 방법

• 표준 DFT보다 더 높은 정확도를 확보하기 위해 DFT+GW 형식을 사용하여 준입자 밴드 갭과 결함 형성 에너지를 계산하였다.
• 주기적 경계 조건을 사용한 슈퍼셀 계산을 통해 다양한 기질 상의 단층 MoS₂에서 황 공석을 모델링하였다.
• 다양한 유전율를 가진 유전율 환경에 MoS₂ 단층을 임베딩하여 기질 스크리닝 효과를 처리하였다.
• 전자 상호작용을 적절히 처리하기 위해 준입자 에너지 보정 방법을 사용하여 전하 전이 수준(CTLs)을 계산하였다.
• 스크리닝 강도 영향을 평가하기 위해 BN, SiO₂, 그래핀, 이중층 그래핀, 고체 그래파이트 등의 기질을 비교 분석하였다.
• 기질 유무에 관계없이 동일한 원자 구조 변화를 가정하여 준입자 수준에 미치는 유전율 스크리닝 효과만을 분리하여 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기질 스크리닝은 단층 MoS₂의 준입자 밴드 갭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다체 보정을 통해 계산된 MoS₂에서 황 공석의 정확한 전하 전이 수준(CTLs)은 무엇인가?
• RQ3 다른 기질 스크리닝 조건에서 (0/-1) CTL이 밴드 갭과 비례하여 이동하는가?
• RQ4 (+1/0) CTL은 다양한 기질에서 발열 밴드 최상단 근처에 고정되어 있는가? 그 이유는 무엇인가?
• RQ5 기질 선택을 통해 수소 발생 반응(HER) 활성을 최적화하기 위해 결함 수준을 공학할 수 있는가?

주요 결과

• 자유상태의 MoS₂ 준입자 밴드 갭은 고체 그래파이트 기질 존재 시 최대 530 meV 재정렬되며, 이는 실험적 STS 및 광발광 측정과 일치한다.
• (0/-1) 전하 전이 수준은 밴드 갭과 거의 동일한 정도로 재정렬되며, 모든 기질 구성에서 도너 밴드 최소값 이하로 500 meV 이동한다.
• (+1/0) 전하 전이 수준은 모든 기질에서 순수한 발열 밴드 최상단 근처 100 meV 이내로 고정되어 있어 강한 스크리닝 유도 고정 현상을 보인다.
• (0/-1) CTL은 안정적으로 유지되며, 준입자 갭 내에서 발열 밴드 최상단에서 2.14 eV 상단에 위치한다. 이는 -1 전하 상태의 안정성과 실험적 관측 결과와 일치한다.
• 기질 스크리닝은 조절 가능한 결함 에너지 수준을 가능하게 하여, 향상된 수소 발생 반응(HER) 촉매를 위한 황 공석 결함 상태의 공학적 경로를 제공한다.
• 결과는 기질 선택이 결함 수준을 제어하고, 양성자 산란을 감소시켜 MoS₂의 이동도 향상에 기여할 수 있음을 보여준다.