Elektronische en magnetische eigenschappen van defecte monolaag WSe2 met vacatures

Resultaten en discussie

Atoomstructuur en elektronische eigenschappen van monolaag WSe₂

De meest stabiele kristalstructuur van monolaag WSe₂ , aangeduid als 1H-WSe₂ , wordt getoond in Fig. la, die de ingeklemde laag van Se-WSe toont. In 1H-WSe₂ , W-atomen en Se-atomen bezetten de subroosters van hexagonale platen, en de Se-atomen op de onderste laag bevinden zich direct onder die Se-atomen op de bovenste laag. Onze berekende W-W-bindingslengte is 3,31 Å en de W-Se-bindingslengte is 2,54 Å, wat goed overeenkomt met eerdere resultaten [10, 11]. Zoals getoond in Fig. 1b, de berekende elektronische bandstructuur en dichtheid van toestanden (DOS) voor 1H-WSe₂ geef aan dat 1H-WSe₂ is niet-magnetisch halfgeleidend met een directe bandafstand van 1,54 eV. Ons berekende resultaat komt goed overeen met het vorige resultaat van 1,55 eV [12]. Om een ​​nauwkeurigere band gap te krijgen, hebben we de Heyd-Scuseria-Ernzerh (HSE06) [46] methode gebruikt om de elektronische bandstructuur te berekenen. De energiekloof van 1H-WSe₂ berekend met de HSE06-methode is 2,0 eV.

een Boven- en zijaanzichten voor de atomaire structuur van monolaag WSe₂ . b De elektronische bandstructuur en toestandsdichtheid (DOS) van monolaag WSe₂ . De blauwe, rode en mandarijnballen vertegenwoordigen Wand Se-atomen op respectievelijk de bovenste en onderste laag. Fermi-niveau is ingesteld op 0 eV

De magnetische en elektronische eigenschappen van defecte monolaag WSe₂ met Vacature

We hebben zeven vacaturedefectconfiguraties overwogen voor monolaag Wse₂ in de huidige studie. Het zijn de vacatures met één atoom, waaronder één vacature voor een Se-atoom (V_Se ), één W atom vacature (V_W ), en twee atoomvacatures van V_Se-Se , V_Se2 , en V_W2 . De vacature van twee Se-atomen V_Se-Se betekent dat de twee Se-atomen die net onder of boven elkaar liggen worden verwijderd, terwijl de V_Se2 /V_W2 leegstand betekent dat de twee aangrenzende Se/W-atomen worden verwijderd. We hebben ook gekeken naar de grote vacatures van V_WSe3 en V_WSe6 . V_WSe3 geeft de leegte aan van één W-atoom en de nabijgelegen drie Se-atomen op dezelfde laag, en V_WSe6 presenteert de vacature van één W-atoom en de nabijgelegen drie paren Se-atomen. De geoptimaliseerde structuren van monolaag WSe₂ met vacatures van V_Se , V_Se-Se , V_Se2 , V_W , V_W2 , V_WSe3 , en V_WSe6 worden getoond in de inzet van Fig. 2. Zoals we kunnen zien, werd de 5 × 5 × 1 supercel gebruikt voor de huidige studie van de defecte monolaag WSe₂ .

De geoptimaliseerde atomaire structuren van monolaag Wse₂ met V_Ze , V_Se-Se , V_Se2 , V_W , V_W2 , V_WSe3 , en V_WSe6 vacatures. De blauwe, rode en mandarijnballen vertegenwoordigen respectievelijk W- en Se-atomen op de bovenste en onderste laag

Tabel 1 vat de resultaten samen voor de defecte monolaag WSe₂ met vacatures van V_Se , V_Se-Se , V_Se2 , V_W , V_W2 , V_WSe3 , en V_WSe6 . We kunnen zien dat de W-W-afstanden rond de vacatures van V_Se , V_Se-Se , en V_Se2 afname met respectievelijk 0,23, 0,52 en 0,24 Å vergeleken met de oorspronkelijke W-W-afstand in monolaag WSe₂ , wat betekent dat de W atomen rond de Se atomen vacatures dicht bij elkaar komen. Bovendien zijn de W-W-afstanden rond de vacatures van V_W , V_W2 , en V_WSe3 lichtjes toenemen met 0,02, 0,01 en 0,06 Å. En die W-W-afstanden rond de enkele atoomvacatures (V_Se /V_W ) zijn bijna gelijk aan de tegenhanger rond de twee atomen vacatures (V_Se2 /V_W2 ). Voor de grotere vacature V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ , nemen de W-W-afstanden tussen de aangrenzende W-atomen op de hoeken van de leegstand af met 0,58 Å, maar nemen de W-W-afstanden aan de randen van de leegstand toe met 0,44 Å. De vormingsenergieën van de zeven vacaturegeometrieën worden berekend via:

\( {E}_{\mathrm{van}\hbox{-} {\mathrm{WSe}}_2} \)en \( {E}_{{\mathrm{WSe}}_2} \)zijn het totaal energieën van de 5 × 5 × 1 supercel van monolaag WSe₂ met en zonder vacaturedefect, en u _ik en n _ik (i =Se, W) zijn de chemische potentiaal en het aantal verwijderde i atoom. Zoals vermeld in Tabel 1, geven onze berekende vormingsenergieën voor de zeven vacatures aan dat V_Se , de vacature met een enkel Se-atoom, moet regelmatig worden waargenomen op WSe₂ monolaag, consistent met het vorige resultaat van monolaag MoS₂ [17, 21]. Voor de twee Se-atoomvacatures van V_Se-Se en V_Se2 , de vormingsenergie van V_Se2 is iets hoger dan die van V_Se-Se , wat aangeeft dat V_Se-Se heeft energetisch de voorkeur dan V_Se2 . Vandaar dat in de volgende studie alleen V_Se-Se wordt bestudeerd als de twee Se-atoomvacatures. Bovendien zijn de vormingsenergieën voor de grote vacatures hoger, wat kan worden gegenereerd via bepaalde soorten structurele engineeringtechnieken [29,30,31].

Vervolgens hebben we de elektronische eigenschappen van de defecte monolaag WSe₂ . bestudeerd met vacatures van V_Se , V_Se-Se , V_W , V_W2 , V_WSe3 , en V_WSe6 . Figuur 3 toont de elektronische bandstructuren van de zes met vacantie gedoteerde monolaag WSe₂ . Zoals getoond in Fig. 3a, V_Se -gedoteerde monolaag WSe₂ blijft halfgeleidend, maar er zijn duidelijk extra elektronische toestanden die worden gegenereerd door het lokaliseren van het vacaturedefect in het hiaatgebied. Bijgevolg is de energiekloof van V_Se -gedoteerde monolaag WSe₂ reduceert tot 1,18 eV vergeleken met die van monolaag WSe₂ . De elektronische bandstructuur van V_Se-Se -gedoteerde monolaag WSe₂ is vergelijkbaar met die van V_Se -gedoteerde monolaag WSe₂ , en hun energiekloven zijn dichtbij. V_W - en V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ getoond in Fig. 3c en e handhaaft ook het halfgeleidende kenmerk, maar met veel kleinere energiehiaten van respectievelijk 0,18 en 0,76 eV. Anders dan bij de bovenstaande leegstandsdefecten, zijn de meerderheids- en minderheidsspinkanalen asymmetrisch verdeeld voor de V_W2 - en V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ zoals getoond, in Fig. 3d en f. Voor de V_W2 -gedoteerde monolaag WSe₂ , passeren de meerderheidsspinkanalen het Fermi-niveau, terwijl de minderheidsspinkanalen halfgeleidend blijven met een energiekloof van 0,19 eV, en het magnetische moment is 2,0 μ_B , terwijl de V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ is magnetisch halfgeleidend met een magnetisch moment van 6,0 μ_B .

De elektronische bandstructuren van monolaag WSe₂ met een V_Zie , b V_Se-Se , c V_W , d V_W2 , e V_WSe3 , en f V_WSe6 vacatures. Blauwe en rode lijnen vertegenwoordigen respectievelijk de meerderheids- en minderheidsspinkanalen. Fermi-niveau is ingesteld op 0 eV

We hebben ook de partiële dichtheid van toestanden (PDOS) berekend voor de zes met vacantie gedoteerde monolaag WSe₂ om hun elektronische eigenschappen verder te bestuderen. Figuur 4 laat zien dat de onzuivere elektronische toestanden van V_Se - en V_Se-Se -gedoteerde monolaag WSe₂ bevinden zich meestal in het geleidingsbandgebied en zijn voornamelijk afgeleid van de d-orbitaal van W-atomen nabij de vacature, en weinig van p-orbitaal van Se-atomen rond de vacature. Anders, de onzuivere elektronische banden van V_W - en V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ bevinden zich niet alleen in het geleidingsbandgebied, maar zijn ook gesplitst in het valentiebandgebied. Voor V_W leegstand, de geleidingsbanden nabij het Fermi-niveau komen voornamelijk van de d (d_xy , d_x2 en d_z2 ) orbitalen van de W-atomen rond de vacature, en de valentiebanden nabij het Fermi-niveau zijn voornamelijk afkomstig van de p-orbitaal van Se-atomen rond de vacature. Vergeleken met V_W -gedoteerde monolaag WSe₂ , de onzuivere elektronische toestanden van V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ zijn verder weg van het Fermi-niveau. De geleidingsbanden nabij het Fermi-niveau zijn afgeleid van zowel de Se p_z orbitaal en W d-orbitalen rond de vacature, terwijl de valentiebanden nabij het Fermi-niveau voornamelijk afkomstig zijn van de W d-orbitaal rond de vacature. Bovendien interageren de Wd-orbitaal en de naburige Sep-orbitaal sterk, wat resulteert in de gehybridiseerde toestanden rond het Fermi-niveau. Voor de halfmetalen V_W2 -gedoteerde monolaag WSe₂ , het geleidingsbandkruis van het Fermi-niveau komt voornamelijk van de Se p_x orbitaal, en de valentiebanden nabij het Fermi-niveau zijn voornamelijk afgeleid van de W d (d_x2 en d_z2 ) orbitaal. Wat betreft de magnetische halfgeleidende V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ , de geleidingsbanden en de valentiebanden nabij het Fermi-niveau zijn beide afgeleid van de W d-orbitaal nabij de vacature.

De partiële dichtheid van toestanden (PDOS) van monolaag WSe₂ met een V_Zie , b V_Se-Se , c V_W , d V_W2 , e V_WSe3 , en f V_WSe6 vacatures. NN_W en NN_Se vertegenwoordigen respectievelijk de dichtstbijzijnde naburige W- en Se-atomen rond de vacature. Fermi-niveau is ingesteld op 0 eV

De elektronische en magnetische eigenschappen van monolaag WSe₂ met vacaturedefect onder trekspanning

We bestudeerden verder de elektronische en magnetische eigenschappen van de vacature-gedoteerde monolaag WSe₂ onder de biaxiale spanning, aangezien de spanning een effectieve manier is om de elektronische structuren en magnetische momenten van de 2D-materialen af ​​te stemmen. We hebben eerst de 1H-WSe₂ . bestudeerd monolaag onder de biaxiale rek. Ons berekeningsresultaat laat zien dat de biaxiale rek variërend van 0 tot 7% ​​geen magnetisme induceert in monolaag WSe₂ , vergelijkbaar met monolaag MoS₂ [34, 36]. Bovendien, monolaag WSe₂ behoudt nog steeds de halfgeleidende aard, waarbij de energiekloof afneemt tot 0,5 eV bij 7% rek, en de lengte van de W-W-binding neemt toe naarmate de toegepaste trekspanning toeneemt.

Vervolgens bestudeerden we de vacature-gedoteerde monolaag WSe₂ onder de trekspanning van 0 ~ 7%. Figuur 5 toont de elektronische bandstructuren voor V_Se -, V_Se-Se -, V_W -, V_W2 -, V_WSe3 -, en V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ onder de biaxiale spanning van 1%, 4% en 7%. Vergelijkbaar met de ongerepte WSe₂ monolaag, V_Ze -, V_Se-Se -, en V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ alle behouden de halfgeleidende eigenschap onder de biaxiale spanning van 0 ~ 7%, en de geleidingsbandminima komen dichter bij het Fermi-niveau naarmate de toegepaste trekspanning toeneemt. Voor de V_W -gedoteerde monolaag WSe₂ onder de biaxiale spanning groter dan 1%, verdelen de spinkanalen van de meerderheid en de minderheid zich asymmetrisch. Bovendien is de V_W2 - en V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ beide vertonen een magnetische halfgeleidende eigenschap onder de spanning van 1 ~ 7%. Hoewel de V_Se -, V_Se-Se -, en V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ nog steeds de halfgeleidende functie onder de biaxiale spanning van 0 ~ 7% houden, regelt de biaxiale spanning effectief hun energiehiaten zoals getoond in Fig. 6a. De energiekloven van V_Se - en V_Se-Se -gedoteerde monolaag WSe₂ beide nemen af ​​van 1,1 naar 0,5 eV, terwijl de energiekloof van V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ is relatief kleiner, die daalde van 0,76 naar 0,3 eV. Aan de andere kant zijn de energiekloven van V_W -, V_W2 -, en V_WSe6 -gedoteerde monolaag WSe₂ zijn minder dan 0.2 eV onder de biaxiale spanning van 0~7%.

De elektronische bandstructuren van monolaag WSe₂ met V_Ze , V_Se-Se , V_W , V_W2 , V_WSe3 , en V_WSe6 vacatures onder 1%, 4% en 7% trekspanning. Blauwe en rode lijnen vertegenwoordigen respectievelijk de meerderheids- en minderheidsspinkanalen. Fermi-niveau is ingesteld op 0 eV

een De energiehiaten van monolaag WSe₂ met V_Ze , V_Se-Se , en V_WSe3 vacatures. b De magnetische momenten van monolaag WSe₂ met V_W , V_W2 , en V_WSe6 vacatures onder de trekspanning van 0~7%.

Onder de biaxiale spanning van 0~7%, de V_Se -, V_Se-Se -, en V_WSe3 -gedoteerde monolaag WSe₂ blijven niet-magnetisch zoals weergegeven in Fig. 5. Daarentegen is de niet-magnetische V_W -gedoteerde monolaag WSe₂ magnetisch worden met het magnetische moment van 4 μ_B onder de biaxiale rek groter dan 1%. De spin-opgeloste ladingsdichtheid getoond in Fig. 7a geeft aan dat het magnetische moment voornamelijk voortkomt uit de W- en Se-atomen rond de vacatures. Zoals getoond in Fig. 7b, is het magnetische moment van V_W2 -gedoteerde monolaag WSe₂ komt voornamelijk van de Se-atomen bij de vacature en weinig van de W-atomen rond de vacature. Wanneer de toegepaste rek groter is dan 1%, worden meer Se-atomen spin-gepolariseerd, wat resulteert in het grotere magnetische moment van 4 μ_B . Voor V_WSe6 leegstandsdefect, kunnen we zien dat het magnetische moment 6 μ_B . blijft onder de spanning van 0~6% en neemt dan af tot 4 μ_B bij de rek van 7% zoals getoond in Fig. 6b. Figuur 7c laat zien dat zijn magnetische momenten voornamelijk voortkomen uit de zes W-atomen rond V_WSe6 . Wanneer de uitgeoefende spanning toeneemt tot 7%, zijn de nabijgelegen Se-atomen rond de vacature meer spin-gepolariseerd, maar nemen de lokale magnetische momenten op de W-atomen af. Dienovereenkomstig is het totale magnetische moment van V_WSe6 -gedoteerde WSe₂ neemt af tot 4 μ_B onder 7% belasting.

Spin-opgeloste ladingsdichtheid van monolaag WSe₂ met een V_W , b V_W2 , en c V_WSe6 vacatures onder de trekspanning van 0 ~ 7%. Gele en cyaan iso-oppervlakken vertegenwoordigen respectievelijk de positieve en negatieve spindichtheden