[논문 리뷰] Theoretical investigation of quantum capacitance in the functionalized MoS$_2$-monolayer

T Sruthi, Nayana Devaraj외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 23.

2D Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 이론적 연구는 전자기적 이론을 사용하여 산화몰리브데나(모리브데나)의 양자용량 향상을 위해 전이금속 잡질 도핑과 결함을 연구한다. V, Co, Ni, Cu 도핑은 전자 상태 밀도가 패러미 레벨 근처에서 증가하고 전하 재분배로 인해 패러미 레벨이 이동함으로써 양자용량을 크게 향상시키며, 특히 V 도핑된 MoS₂는 263.721 μF/cm²의 최고 수준을 기록한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 슈퍼커퍼시터 응용을 위한 계면 모세관성질 향상을 위한 단층 MoS₂의 양자용량 증대를 탐색한다.
• 전이금속 잡질 도핑(예: V, Co, Ni, Cu)이 전자 구조와 용량에 미치는 영향을 조사한다.
• 빈도 결함(S 및 Mo 빈도)이 양자용량을 수정하는 역할을 분석한다.
• 전자 구조 분석을 통해 용량 증대의 미세 구조 기원을 규명한다.
• 기능화된 MoS₂를 활용한 고용량 2차원 전극 재료 설계를 위한 이론적 근거를 제공한다.

제안 방법

• 교환-상관 에너지에 대해 PBE 함수를 사용한 VASP 패키지를 활용한 최초 원리 DFT 계산을 수행하였다.
• 전자 구조 계산의 수렴성과 정확성을 확보하기 위해 400 eV 이상의 고에너지 컷오프를 사용하였다.
• 3×3 초세포에서 Mo 원자를 전이금속(V, Nb, Co, Ni, Cu)으로 치환하여 잡질 도핑된 MoS₂를 모델링하였다.
• S 또는 Mo 원자를 제거하여 5.5%, 11%, 16.5% S-빈도 및 11.5% Mo-빈도 구성 조건을 시뮬레이션하였다.
• 패러미 레벨에서 에너지에 대한 전하의 도함수를 통해 양자용량(CQ)을 계산하였다.
• 패러미 레벨 근처의 전자 상태와 용량 증대 간의 연관성을 분석하기 위해 원자별로 프로젝션된 상태 밀도(DOS)를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이금속 잡질 도핑은 단층 MoS₂의 양자용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 S 및 Mo 빈도 결함은 전자 구조와 양자용량을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 기능화된 MoS₂에서 증가한 양자용량의 미세 기원은 무엇인가?
• RQ4 V, Co, Ni, Cu, Nb 중 어느 도핑 원소가 MoS₂에서 가장 높은 양자용량을 제공하는가?
• RQ5 전하 재분배와 패러미 레벨 이동은 용량 증대에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• V 도핑된 MoS₂는 263.721 μF/cm²의 최고 수준의 양자용량을 나타내며, 200 μF/cm²의 임계값을 크게 초월한다.
• Co 도핑된 MoS₂는 152.794 μF/cm²의 양자용량을 보이며, Ni 및 Cu 도핑은 각각 202.439 및 191.658 μF/cm²의 값을 기록한다.
• Mo 빈도 결함는 패러미 레벨 근처에서 DOS를 크게 증가시켜 11.5% 결함 농도에서 209.733 μF/cm²의 양자용량을 유도한다.
• S 빈도 결함는 영향이 미미하며, 최대 16.5% 농도에서 33.665 μF/cm²의 용량에 그친다.
• 양자용량 증대의 원인은 도핑 원자로부터의 전하 이동으로 인한 패러미 레벨 이동과 함께 패러미 레벨 근처의 전자 상태 밀도 증가에 기인한다.
• 관측된 용량 증대의 주요 메커니즘은 밴드 에지 근처의 새로운 전자 상태의 존재와 도핑에 의한 전하 재분포이다.