mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-3-56-63mireabulletin-522Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSМоделирование зонной структуры двумерных твердых растворов MoxW1−xS2ySe2(1−y)Modeling of two-dimensional MoxW1−xS2ySe2(1−y) alloy band structurehttps://orcid.org/0000-0001-9882-8647ПименовН. Ю.PimenovN. Yu.

Пименов Никита Юрьевич - аспирант кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. ResearcherID ABB-2465-2021

Nikita Yu. Pimenov - Postgraduate Student, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. ResearcherID ABB-2465-2021

nikitapimenov13@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9432-860XЛавровС. Д.LavrovS. D.

Лавров Сергей Дмитриевич - кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 55453548100, ResearcherID G-2912-2016

Sergey D. Lavrov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Senior Researcher, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 55453548100, ResearcherID G-2912-2016

https://orcid.org/0000-0002-2126-7404КудрявцевА. В.KudryavtsevA. V.

Кудрявцев Андрей Владимирович - кандидат физико-математических наук, доцент, научный сотрудник кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 55219889700, ResearcherID O-1457-2016

Andrey V. Kudryavtsev - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Researcher, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 55219889700, ResearcherID O-1457-2016

kudryavcev_a@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1766-5482АвдижиянА. Ю.AvdizhiyanA. Yu.

Авдижиян Артур Юрьевич - кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57200646355, ResearcherID C-2190-201

Artur Yu. Avdizhiyan - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Junior Researcher, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57200646355, ResearcherID C-2190-2018

avdizhiyan@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2022080620221035663Copyright © Пименов Н.Ю., Лавров С.Д., Кудрявцев А.В., Авдижиян А.Ю., 20222022Пименов Н.Ю., Лавров С.Д., Кудрявцев А.В., Авдижиян А.Ю.Pimenov N.Y., Lavrov S.D., Kudryavtsev A.V., Avdizhiyan A.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/522Цели

Цели. Благодаря наличию прямозонного перехода с шириной запрещенной зоны, соответствующей видимой и ближней инфракрасной областям спектра, двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) находят применение в различных оптических приложениях. Однако ограниченный набор существующих ДПМ делает область используемого спектрального диапазона дискретной. Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является использование двумерных пленок ДПМ на основе многокомпонентных твердых растворов, в состав которых входят три и более различных химических элемента (в то время, как ДПМ состоят из двух). Варьируя их морфологический состав, можно управлять значением ширины запрещенной зоны, и, таким образом, их оптическим спектром поглощения. Так как ширина запрещенной зоны в таких структурах сильно нелинейна по отношению к их химическому составу, это затрудняет подбор необходимой концентрации для достижения равномерного поглощения. В связи с этим целью данной работы является теоретическое определение зависимости ширины запрещенной зоны четырехкомпонентных двумерных твердых растворов MoxW1−xS2ySe2(1−y) от их морфологического состава.

Методы

Методы. Расчеты выполнены в рамках теории функционала плотности с использованием программного пакета Quantum Espresso. Двумерные кристаллиты твердых растворов ДПМ были изготовлены из объемных кристаллов ДПМ методикой механической эксфолиации на подложку Si/SiO2. Экспериментальное исследование фотолюминесцентных характеристик было проведено при помощи фотолюминесцентной микроскопии- спектроскопии.

Результаты

Результаты. В работе была определена зависимость ширины запрещенной зоны от морфологического состава двумерных твердых растворов MoxW1−xS2ySe2(1−y). Установлено, что при варьировании состава твердых растворов ДПМ ширина запрещенной зоны изменяется от 1.43 до 1.83 эВ. Показано, что полученные теоретические результаты качественно совпадают с экспериментальными данными.

Выводы

Выводы. Минимальной шириной запрещенной зоны обладают твердые растворы, близкие по своему составу к MoSe2, в то время как максимальной – структуры, близкие по своему составу к WS2.

Objectives

Objectives. Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) are utilized for various optical applications due to the presence in these materials of a direct band gap corresponding to the visible and near-infrared spectral regions. However, a limited set of existing TMDs makes the region of the used spectral range discrete. The most effective way to solve this problem is to use two-dimensional TMD films based on multicomponent alloys, including three or more different chemical elements (while TMDs consist of two). By varying their morphological composition, one can control the value of the band gap and thus their optical absorption spectrum. However, since the band gap in such structures is highly nonlinear as far as their chemical composition is concerned, it can be challenging to select the required concentration in order to achieve uniform absorption. In this regard, the purpose of this work is to theoretically determine the dependence of the band gap of four-component two-dimensional MoxW1–xS2ySe2(1–y) alloys on their morphological composition.

Methods

Methods. The calculations were performed within the framework of the density functional theory using the Quantum Espresso software package. Flakes of two-dimensional TMDs alloys were prepared from bulk TMDs crystals by mechanical exfoliation on a Si/SiO2 substrate. An experimental study of the photoluminescence characteristics was carried out using photoluminescence microscopy-spectroscopy. Results. In this work, the dependence of the band gap on the morphological composition of two-dimensional MoxW1–xS2ySe2(1–y) alloys was determined. Upon varying the composition of TMDs alloys, it was found that the band gap changes from 1.43 to 1.83 eV. The obtained theoretical results are in qualitative agreement with the experimental data.

Conclusions

Conclusions. The minimum band gap is observed in alloys close to MoSe2, while alloys close to WS2 have the maximum band gap value.

дихалькогениды переходных металловдвумерные полупроводникизонная структуразапрещенная зонатеория функционала плотностиtransition metal dichalcogenidestwo-dimensional semiconductorsband structureband gapdensity functional theoryРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 19-72-10165). Экспериментальные исследования были выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования РТУ МИРЭАThis work was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 19-72-10165). Experimental studies were carried out using the equipment of the Center for Collective Use at the MIREA – Russian Technological UniversityReferencesNovoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004;306(5696):666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004;306(5696):666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896Чернозатонский Л.А., Артюх А.А. Квазидвумерные дихалькогениды переходных металлов: структура, синтез, свойства и применение. Успехи физических наук. 2018;188(1): 3–30. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.02.038065Chernozatonskii L.A., Artyukh A.A. Quasi-two-dimensional transition metal dichalcogenides: structure, synthesis, properties, and applications. Phys.-Usp. 2018;61(1):2–28. https://doi.org/10.3367/UFNe.2017.02.038065Yun W.S., Han S.W., Hong S.C., Kim I.G., Lee J.D. Thickness and strain effects on electronic structures of transition metal dichalcogenides: 2H-MX2 semiconductors (M = Mo, W; X = S, Se, Te). Phys. Rev. B. 2012;85(3):033305. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.033305Yun W.S., Han S.W., Hong S.C., Kim I.G., Lee J.D. Thickness and strain effects on electronic structures of transition metal dichalcogenides: 2H-MX2 semiconductors (M = Mo, W; X = S, Se, Te). Phys. Rev. B. 2012;85(3):033305. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.033305Huo N., Yang Y., Wu Y.-N., Zhang X.-G., Pantelides S.T., Konstantatos G. High carrier mobility in monolayer CVD-grown MoS2 through phonon suppression Nanoscale. 2018;10(31):15071–15077. https://doi.org/10.1039/C8NR04416CHuo N., Yang Y., Wu Y.-N., Zhang X.-G., Pantelides S.T., Konstantatos G. High carrier mobility in monolayer CVD-grown MoS2 through phonon suppression Nanoscale. 2018;10(31):15071–15077. https://doi.org/10.1039/C8NR04416CTaffelli A., Dirè S., Quaranta A., Pancheri L. MoS2 based photodetectors: a review. Sensors. 2021;21(8):2758. https://doi.org/10.3390/s21082758Taffelli A., Dirè S., Quaranta A., Pancheri L. MoS2 based photodetectors: a review. Sensors. 2021;21(8):2758. https://doi.org/10.3390/s21082758Shin G. H., Park C., Lee H.J., Jin H.J., Choi S.-Y. Ultrasensitive phototransistor based on WSe2-MoS2 van der Waals heterojunction. Nano Lett. 2020;20(8): 5741–5748. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01460Shin G. H., Park C., Lee H.J., Jin H.J., Choi S.-Y. Ultrasensitive phototransistor based on WSe2-MoS2 van der Waals heterojunction. Nano Lett. 2020;20(8): 5741–5748. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01460Wang T., Zheng F., Tang G., Cao J., You P., Zhao J., Yan F. 2D WSe2 flakes for synergistic modulation of grain growth and charge transfer in tin-based perovskite solar cells. Adv. Sci. 2021;8(11):2004315. https://doi.org/10.1002/advs.202004315Wang T., Zheng F., Tang G., Cao J., You P., Zhao J., Yan F. 2D WSe2 flakes for synergistic modulation of grain growth and charge transfer in tin-based perovskite solar cells. Adv. Sci. 2021;8(11):2004315. https://doi.org/10.1002/advs.202004315Choi W., Choudhary N., Han G.H., Park J., Akinwande D., Lee Y.H. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications. Mater. Today. 2017;20(3):116–130. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2016.10.002Choi W., Choudhary N., Han G.H., Park J., Akinwande D., Lee Y.H. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications. Mater. Today. 2017;20(3):116–130. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2016.10.002Su S.-H., Hsu W.-T., Hsu C.-L., Chen C.-H., Chiu M.-H., Lin Y.-C., Chang W.-H., Suenaga K., He J.-H., Li L.-J. Controllable synthesis of band-gaptunable and monolayer transition-metal dichalcogenide alloys. Front. Energy Res. 2014;2:27. https://doi.org/10.3389/fenrg.2014.00027Su S.-H., Hsu W.-T., Hsu C.-L., Chen C.-H., Chiu M.-H., Lin Y.-C., Chang W.-H., Suenaga K., He J.-H., Li L.-J. Controllable synthesis of band-gaptunable and monolayer transition-metal dichalcogenide alloys. Front. Energy Res. 2014;2:27. https://doi.org/10.3389/fenrg.2014.00027Li M.-Y., Chen C.-H., Shi Y., Li L.-J. Heterostructures based on two-dimensional layered materials and their potential applications. Mater. Today. 2016;19(6): 322–335. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.11.003Li M.-Y., Chen C.-H., Shi Y., Li L.-J. Heterostructures based on two-dimensional layered materials and their potential applications. Mater. Today. 2016;19(6): 322–335. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.11.003Petrić M.M., Kremser M., Barbone M., Qin Y., Sayyad Y., Shen Y., Tongay S., Finley J.J., Botello-Méndez A.R., Müller K. Raman spectrum of Janus transition metal dichalcogenide monolayers WSSe and MoSSe. Phys. Rev. B. 2021;103(3):035414. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.035414Petrić M.M., Kremser M., Barbone M., Qin Y., Sayyad Y., Shen Y., Tongay S., Finley J.J., Botello-Méndez A.R., Müller K. Raman spectrum of Janus transition metal dichalcogenide monolayers WSSe and MoSSe. Phys. Rev. B. 2021;103(3):035414. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.035414Ernandes C., Khalil L., Almabrouk H., Pierucci D., Zheng B., Avila J., Dudin P., Chaste J., Oehler F., Pala M., Bisti F., Brulé T., Lhuillier E., Pan A., Ouerghi A. Indirect to direct band gap crossover in two-dimensional WS2(1−x)Se2x alloys. npj 2D Mater. Appl. 2021;5(1):7. https://doi.org/10.1038/s41699-020-00187-9Ernandes C., Khalil L., Almabrouk H., Pierucci D., Zheng B., Avila J., Dudin P., Chaste J., Oehler F., Pala M., Bisti F., Brulé T., Lhuillier E., Pan A., Ouerghi A. Indirect to direct band gap crossover in two-dimensional WS2(1−x)Se2x alloys. npj 2D Mater. Appl. 2021;5(1):7. https://doi.org/10.1038/s41699-020-00187-9Wang Z., Sun J., Wang H., Lei Y., Xie Y., Wang G., Zhao Y., Li X., Xu H., Yang X., Feng L., Ma X. 2H/1T′ phase WS2(1−x)Te2x alloys grown by chemical vapor deposition with tunable band structures. Appl. Surf. Sci. 2020;504:144371. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144371Wang Z., Sun J., Wang H., Lei Y., Xie Y., Wang G., Zhao Y., Li X., Xu H., Yang X., Feng L., Ma X. 2H/1T′ phase WS2(1−x)Te2x alloys grown by chemical vapor deposition with tunable band structures. Appl. Surf. Sci. 2020;504:144371. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144371Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 1996;77(18):3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 1996;77(18):3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., Corso A.D., Gironcoli S., Fabris S., Fratesi G., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., Marzari N., Mauri F., Mazzarello R., Paolini S., Pasquarello A., Paulatto L., Sbraccia C., Scandolo S., Sclauzero G., Seitsonen A.P., Smogunov A., Umari P., Wentzcovitch R.M. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. J. Phys.: Condens. Matter. 2009;21(39):395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., Corso A.D., Gironcoli S., Fabris S., Fratesi G., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., Marzari N., Mauri F., Mazzarello R., Paolini S., Pasquarello A., Paulatto L., Sbraccia C., Scandolo S., Sclauzero G., Seitsonen A.P., Smogunov A., Umari P., Wentzcovitch R.M. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. J. Phys.: Condens. Matter. 2009;21(39):395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouinzone integrations. Phys. Rev. B. 1976;13(12):5188–5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouinzone integrations. Phys. Rev. B. 1976;13(12):5188–5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188Li S.-L., Miyazaki H., Song H., Kuramochi H., Nakaharai S., Tsukagoshi K. Quantitative Raman spectrum and reliable thickness identification for atomic layers on insulating substrates. ACS Nano. 2012;6(8):7381–7388. https://doi.org/10.1021/nn3025173Li S.-L., Miyazaki H., Song H., Kuramochi H., Nakaharai S., Tsukagoshi K. Quantitative Raman spectrum and reliable thickness identification for atomic layers on insulating substrates. ACS Nano. 2012;6(8):7381–7388. https://doi.org/10.1021/nn3025173Zhuang H.L., Henning R.G. Computational search for single-layer transition-metal dichalcogenide photocatalysts. J. Phys. Chem. C. 2013;117(40):20440–20445. https://doi.org/10.1021/jp405808aZhuang H.L., Henning R.G. Computational search for single-layer transition-metal dichalcogenide photocatalysts. J. Phys. Chem. C. 2013;117(40):20440–20445. https://doi.org/10.1021/jp405808aHuang J., Wang W., Fu Q., Yang L., Zhang K., Zhang J., Xiang B. Stable electrical performance observed in large-scale monolayer WSe2(1-x)S2x with tunable band gap. Nanotechnology. 2016;27(13):13LT01. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/13/13LT01Huang J., Wang W., Fu Q., Yang L., Zhang K., Zhang J., Xiang B. Stable electrical performance observed in large-scale monolayer WSe2(1-x)S2x with tunable band gap. Nanotechnology. 2016;27(13):13LT01. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/13/13LT01

The authors declare that there are no conflicts of interest present.