Моделирование зонной структуры двумерных твердых растворов MoxW_1−xS_2ySe_2(1−y)

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 Mo_xW_1−xS_2ySe_2(1−y) от их морфологического состава.

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. В работе была определена зависимость ширины запрещенной зоны от морфологического состава двумерных твердых растворов Mo_xW_1−xS_2ySe_2(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. 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.

1. Novoselov 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.1102896

2. Чернозатонский 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.2017.02.038065

3. Yun 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.85.033305

4. Huo 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/C8NR04416C

5. Taffelli A., Dirè S., Quaranta A., Pancheri L. MoS2 based photodetectors: a review. Sensors. 2021;21(8):2758. https://doi.org/10.3390/s21082758

6. Shin 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.0c01460

7. Wang 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.202004315

8. Choi 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.2016.10.002

9. Su 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.2014.00027

10. Li 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.2015.11.003

11. Petrić 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.103.035414

12. Ernandes 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/s41699-020-00187-9

13. Wang 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.2019.144371

14. Perdew 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.77.3865

15. Giannozzi 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/10.1088/0953-8984/21/39/395502

16. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouinzone integrations. Phys. Rev. B. 1976;13(12):5188–5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188

17. Li 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/nn3025173

18. Zhuang 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/jp405808a

19. Huang 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