[论文解读] Theoretical investigation of quantum capacitance in the functionalized MoS$_2$-monolayer

T Sruthi, Nayana Devaraj+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

2D Materials and Applications参考文献 1被引用 9

一句话总结

本理论研究通过密度泛函理论（DFT）探究了过渡金属掺杂和空位缺陷对单层MoS₂中量子电容增强的影响。采用V、Co、Ni和Cu进行取代式掺杂显著提升了量子电容，其中V掺杂的MoS₂因费米能级附近电子态增强及电荷重分布引起的费米能级移动，电容峰值达到263.721 μF/cm²。

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.

研究动机与目标

• 探究单层MoS₂在超级电容器应用中的量子电容增强机制。
• 研究过渡金属吸附原子掺杂（如V、Co、Ni、Cu）对电子结构和电容的影响。
• 分析空位缺陷（S和Mo空位）对量子电容的调制作用。
• 通过电子结构分析揭示电容增强的微观起源。
• 为设计基于功能化MoS₂的高电容二维电极材料提供理论依据。

提出的方法

• 采用VASP软件包结合PBE泛函计算交换关联能，进行第一性原理DFT计算。
• 采用高于400 eV的高截断能以确保电子结构计算的收敛性和准确性。
• 通过在3×3超胞中用过渡金属（V、Nb、Co、Ni、Cu）取代Mo原子，构建吸附原子掺杂的MoS₂模型。
• 通过移除S或Mo原子模拟空位缺陷，形成5.5%、11%、16.5%的S空位及11.5%的Mo空位构型。
• 通过费米能级处电荷随能量导数的计算获得量子电容（CQ）。
• 通过原子投影态密度（DOS）分析，关联费米能级附近的电子态与电容增强的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 过渡金属吸附原子掺杂如何影响单层MoS₂的量子电容？
• RQ2 空位缺陷（S和Mo）在调制电子结构和量子电容方面起何作用？
• RQ3 功能化MoS₂中增强量子电容的微观起源是什么？
• RQ4 哪种掺杂剂（V、Co、Ni、Cu、Nb）在MoS₂中产生最高的量子电容？
• RQ5 电荷重分布和费米能级移动如何促进电容增强？

主要发现

• V掺杂MoS₂表现出最高的量子电容263.721 μF/cm²，显著超过200 μF/cm²的阈值。
• Co掺杂MoS₂的量子电容为152.794 μF/cm²，而Ni和Cu掺杂分别达到202.439和191.658 μF/cm²。
• Mo空位缺陷在费米能级附近显著增加态密度，导致11.5%缺陷浓度下量子电容达209.733 μF/cm²。
• S空位缺陷影响较小，最大电容仅达16.5%浓度下的33.665 μF/cm²。
• 量子电容增强归因于吸附原子引起的电荷转移，使费米能级附近电子态增加及费米能级发生偏移。
• 费米边附近出现新电子态以及掺杂引起的电荷重分布是观测到电容增大的主要机制。