MoS2 多层电子和光学特性对层间耦合和范霍夫奇异性的依赖性
摘要
在本文中,采用第一性原理方法研究了 MoS2 多层膜的结构、电子和光学性质。已经比较研究了多达六层的二硫化钼。 MoS2 单层中的共价性和离子性显示出强于本体中的共价性和离子性。随着层数增加到两层或两层以上,由于层间耦合,能带分裂变得显着。我们发现长平台出现在介电函数 \( {\varepsilon}_2^{xx}\left(\omega \right) \) 和 MoS2 多层的联合态密度 (JDOS) 的虚部,由于二维材料中的范霍夫奇点。一个、两个和三个小台阶分别出现在 \( {\varepsilon}_2^{xx}\left(\omega \right) \) 和 JDOS 的长平台的阈值处,分别为单层、双层和三层.随着层数的进一步增加,小台阶的数量增加,小台阶的宽度相应减小。由于层间耦合,JDOS的最长平台和最短平台分别来自单层和块体。
介绍
二硫化钼 (MoS2) 是典型的过渡金属二硫属化物之一,已被广泛用作催化剂 [1] 和储氢材料 [2, 3]。由于二硫化钼原子层之间的强面内相互作用和弱范德华相互作用 [4, 5],二硫化钼晶体多年来一直被认为是一种重要的固体润滑剂 [6, 7]。单层 MoS2,即所谓的 1H -MoS2,已通过使用微机械裂解从块状 MoS2 上剥离 [8]。所谓的 2H -MoS2(1T , 2H , 3R ) 是块体 MoS2 中最稳定的结构 [9, 10],是一种间接带隙为 1.29 eV [4, 11, 12] 的半导体。单层MoS2由于其二维性质和类似石墨烯的蜂窝结构也引起了极大的关注。有趣的是,单层 MoS2 的直接带隙为 1.90 eV [4, 13],可用作场效应晶体管的导电通道 [14]。另一方面,石墨烯的零带隙限制了其在光学和晶体管应用中的应用 [15,16,17,18]。此外,理论和实验工作表明,电子带隙随着 MoS2 层数的增加而减小 [19,20,21,22]。多层二硫化钼的层间耦合对层厚很敏感[21]。一些关于多层 MoS2 的研究是可用的 [19,20,21,22,23,24,25];然而,多层 MoS2 的电子结构和光学特性仍未完全确定,尤其是与层间耦合相关的层相关物理特性。范霍夫奇点 (VHS) 在光学特性中起着重要作用 [26, 27]。二维材料中唯一可用的临界点是 P 0 (P 2) 和 P 1 型,显示为阶跃和对数奇点 [26, 27]。在本文中,我们逐层分析了与范霍夫奇点相关的 MoS2 的电子和光学特性。
如今,第一性原理计算已成功用于研究各种材料的结构、电子和光学特性。在这项工作中,我们使用 ab initio 计算系统地研究了单层、多层和块状 MoS2 的电子和光学性质。重点讨论了光学特性。我们的结果表明,对于 E ||x ,介电函数的虚部 \( {\varepsilon}_2^{xx}\left(\omega \right) \) 具有长平台期。在这些平台的这些阈值处,单层、双层和三层的 \( {\varepsilon}_2^{xx}\left(\omega \right) \) 分别表现出一个、两个和三个小台阶。介电函数的虚部也通过状态的联合密度和过渡矩阵元素进行分析。 JDOS结合能带结构和Van Hove奇点进行了详细讨论。
方法
目前的计算是通过使用 Vienna ab initio 模拟包 (VASP) [28, 29] 进行的,该程序基于密度泛函理论、平面波基础和投影增强波 (PAW) 表示 [30]。交换相关电位以 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 泛函 [31] 的形式在广义梯度近似 (GGA) 中处理。为了考虑这种层状晶体中较弱的层间吸引力,进行了包括半经验范德华修正的 PBE-D2 计算 [32]。为了获得更准确的带隙,在这项工作中还进行了 Heyd-Scuseria-Ernzerhof 混合泛函 (HSE06) [33,34,35,36] 计算。所有计算系统的波函数都在平面波中展开,动能截止值为 500 eV。布里渊区 (BZ) 积分是通过使用特殊的 k 计算的 Monkhorst-Pack 方案的点采样 [37],具有 45 × 45 × 1 Γ 单层和多层 MoS2 的中心网格和块状 MoS2 的 45 × 45 × 11 网格,用于 PBE-D2 计算。对于 HSE06 计算,一个 9 × 9 × 1 Γ 中心网格用于单层和多层 MoS2。对于单层和多层 MoS2,所有计算均由 Z 中真空空间为 35 Å 的超胞模拟 -方向以避免相邻二硫化钼板之间的相互作用。所有原子配置都完全松弛,直到所有原子上的 Hellmann-Feynman 力小于 0.01 eV/Å。我们的自旋极化计算表明,MoS2 多层膜的能带结构对自旋极化效应相当不敏感(参见附加文件 1:图 S1);因此,所有的计算结果都是基于非自旋极化方案。
单层 MoS2 中的激子效应被发现是显着的,并且已经通过光致发光观察到。我们采用准粒子 G0W0 方法 [38] 和 Bethe-Salpeter 方程 (BSE) [39, 40] 来解释激子效应。对于 k,单层 MoS2 的带隙计算为 2.32 和 2.27 eV - 15 × 15 × 1 和 24 × 24 × 1 Γ 的点网格 中心网格,由 G0W0 通过 SOC 计算获得。介电函数的虚部如图 1 所示,由 G0W0 和 G0W0 + BSE 方法计算得出。在 1.84 和 1.99 eV 处发现了两个激子峰,这与实验观察结果非常吻合 [4, 41]。虽然 G0W0+BSE 方案可以更好地描述激子效应,但本文只给出了 GGA-PBE 泛函下的结果(没有激子峰)。
<图片>结果与讨论
MoS2 多层电子结构
结晶二硫化钼天然存在,具有三种结晶类型:1T , 2H , 和 3R ,分别对应于具有三角、六边形和菱形原始晶胞的晶体 [9]。 2H -MoS2 被认为是最稳定的结构 [10];因此,我们只考虑 2H 在这项工作中的块状 MoS2 类型。散装 2H -MoS2 具有六边形层状结构,由被六个硫原子包围的钼原子层组成,S-Mo-S 薄片相对堆积(如图 2 所示)。 2H 的相邻片材 -MoS2 与弱范德瓦尔斯相互作用弱相关。然后可以很容易地从块体上剥离单层 MoS2。块体 MoS2 的晶格常数计算为 a =b =3.19Å,c =12.41 Å,与 a =b 的报告值一致 =3.18 Å,c =13.83 埃 [18]。单层 MoS2 的优化晶格常数为 a =b =3.19 Å,这与块状 MoS2 一致。如表 1 所示,计算出的 a 中的晶格常数 , b 不同层数的 MoS2 方向相同。 Kumar 等人也报道了这一点。 [19] 晶格常数 (a, b ) 的单层 MoS2 几乎与块体相同。
<图片>结论
In this study, by employing ab initio calculations, the electronic and optical properties of MoS2 multilayers are investigated. Compared to bulk MoS2, the covalency and ionicity of monolayer MoS2 are found to be stronger, which results from larger quantum confinement in the monolayer. With the increase of the layer number, quantum confinement and intra-layer interaction both decrease, meanwhile, the interlayer coupling increases, which result in the decrease of the band gap and the minimum direct energy gap. As the layer number becomes larger than two, the optical and electronic properties of MoS2 multilayers start to exhibit those of bulk. Band structures of multilayers and bulk show splitting of bands mainly around the Γ-point; however, splitting of bands in the vicinity of K point are tiny, owing to the small interlayer coupling at point K.
For optical properties, Van Hove singularities lead to the occurrence of long plateaus in both JDOS and \( {\varepsilon}_2^{xx}\left(\omega \right) \). At the beginnings of these long plateaus, monolayer, bilayer, and trilayer structures appear one, two, and three small steps, respectively. With the layer number increases, the number of small steps increases and the width of the small steps decreases, leading to unobvious steps. A small red shift in the threshold energy and a noticeable red shift in the end of both JDOS and \( {\varepsilon}_2^{xx}\left(\omega \right) \) plateaus are observed, since the increased number of layers leads to small changes in the direct energy gap near point K (weak interlayer coupling) and larger changes near point Γ (stronger interlayer coupling). Thus, the longest plateau and shortest plateau of JDOS are from the monolayer and bulk, respectively. Our results demonstrate that the differences between electronic and optical properties for monolayer and multilayer MoS2 are significant; however, the differences are not obvious between the multilayer MoS2. The present data can help understand the properties of different layers of MoS2, which should be important for developing optoelectronic devices.
数据和材料的可用性
The datasets supporting the conclusions of this article are included within the article.
缩写
- Δ E:
-
The direct energy gap
- 1L:
-
Monolayer MoS2
- 2L:
-
Bilayer MoS2
- 3L:
-
Trilayer MoS2
- 4L:
-
Four-layer MoS2
- 5L:
-
Five-layer MoS2
- 6L:
-
Six-layer MoS2
- BSE:
-
Bethe-Salpeter equation
- BZ:
-
Brillouin zone
- CBM:
-
导带最小值
- GGA:
-
广义梯度逼近
- GW:
-
Quasi-particle energy calculation
- JDOS:
-
Joint density of states
- MoS2:
-
二硫化钼
- NC:
-
The ordinal numbers of conduction band
- NV:
-
The ordinal numbers of valence band
- 爪子:
-
投影仪增强波
- PBE:
-
Perdew-Burke-Ernzerhof
- VASP:
-
Vienna ab initio 仿真包
- VBM:
-
价带最大值
- VHS:
-
Van Hove singularity
纳米材料
- 揭示叠杯碳纳米纤维的原子和电子结构
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