[论文解读] 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)|Oct 26, 2017

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究采用DFT+GW形式体系，探究了金属基底（如石墨烯和石墨）对单层MoS₂中准粒子能带隙及硫空位缺陷电荷转移能级（CTLs）的影响。结果表明，石墨烯等金属基底可使准粒子能带隙最大降低530 meV；(0/-1) CTL随能带隙变化而移动，而(+1/0) CTL则始终在价带顶附近100 meV以内被钉扎，从而实现通过基底调控缺陷能级，为光电器件与电催化应用提供可能。

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.

研究动机与目标

• 理解基底介电屏蔽如何影响单层MoS₂中准粒子能带隙。
• 在标准DFT的局限性之外，计算MoS₂中硫空位缺陷的精确电荷转移能级（CTLs）。
• 探究是否可通过选择基底来调控缺陷能级，以提升器件性能。
• 建立实验观测到的能带隙重整化与缺陷行为与第一性原理多体理论之间的定量关联。

提出的方法

• 采用DFT+GW形式体系，以比标准DFT更高的精度计算准粒子能带隙与缺陷形成能。
• 通过使用周期性边界条件的超原胞计算，模拟单层MoS₂在不同基底上的硫空位。
• 通过在具有不同介电常数的介电环境中嵌入MoS₂单层，处理基底屏蔽效应。
• 采用准粒子能量校正方法计算电荷转移能级（CTLs），确保对电子关联效应的准确处理。
• 对比了六种基底（BN、SiO₂、石墨烯、双层石墨烯、石墨）的结果，评估屏蔽强度的影响。
• 假设在有无基底的情况下原子弛豫保持一致，以隔离介电屏蔽对准粒子能级的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基底屏蔽如何影响单层MoS₂的准粒子能带隙？
• RQ2 在引入多体修正后，MoS₂中硫空位的精确电荷转移能级（CTLs）是什么？
• RQ3 在不同基底屏蔽条件下，(0/-1) CTL是否与能带隙成比例移动？
• RQ4 (+1/0) CTL是否在所有基底上均靠近价带顶被钉扎？其原因是什么？
• RQ5 是否可通过选择基底来调控缺陷能级，以优化析氢反应（HER）活性？

主要发现

• 在石墨基底存在下，单层MoS₂的准粒子能带隙最大可重整化530 meV，与实验扫描隧道谱（STS）和光致发光测量结果一致。
• (0/-1)电荷转移能级的重整化程度与能带隙变化基本一致，在所有基底构型中均向导带底下方移动约500 meV。
• (+1/0)电荷转移能级在所有基底上均保持在本征价带顶100 meV以内，表明存在强屏蔽诱导钉扎效应。
• (0/-1) CTL保持稳定，位于准粒子能隙中价带顶上方2.14 eV处，与实验观测到的-1电荷态稳定性一致。
• 基底屏蔽可实现缺陷能级的可调谐，为优化硫空位缺陷态以增强析氢反应（HER）电催化性能提供了新途径。
• 结果表明，通过选择基底可作为调控缺陷能级与降低带电缺陷引起的载流子散射的调控手段，可能提升MoS₂的迁移率。