Controlling the magnetic and optical responses of a MoS2 monolayer by lanthanide substitutional doping: a first-principles study

材料科学 费米能级 磁化 兴奋剂 镧系元素 单层 密度泛函理论 凝聚态物理 纳米技术 掺杂剂 带隙 化学 光电子学 物理 电子 计算化学 磁场 离子 有机化学 量子力学
作者
Cecil Naphtaly Moro Ouma,Sobhit Singh,Kingsley Onyebuchi Obodo,George Amolo,A. Romero
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:19 (37): 25555-25563 被引量:56
标识
DOI:10.1039/c7cp03160b
摘要

The electronic, magnetic and optical properties of lanthanide substitutional doping (∼2% concentration) on the MoS2 monolayer have been investigated within the density functional theory formalism together with the Hubbard correction (DFT+U). The dopants investigated include Ce, Eu, Gd, Lu and Tm. The calculated dopant substitutional energies under both Mo-rich and S-rich conditions suggest that it is possible to experimentally realize the lanthanide doped MoS2 monolayer systems. The Eu, Gd and Tm dopants induce strong magnetization in the host lattice. The electronic structure calculations reveal that the dopants have a p-type character and they exhibit a half-metallic behavior in the Gd and Eu doped systems. A dilute magnetic semiconducting behavior can also be realized in Gd, Eu and Tm doped systems by slightly tuning the Fermi level. All the dopants refine the optical responses of the host system with the onset of the optical absorption edge shifting to lower energies within the visible range (red shift phenomenon). We observe an optical anisotropy for two different directions of the electric field (E) polarizations, i.e. parallel, E∥, and perpendicular, E⊥, to the xy-plane. Lanthanide substitutional doping significantly influences the electron energy loss spectra (EELS), absorption spectra, and dielectric properties of the host MoS2 monolayer. Furthermore, we notice that lanthanide substitutional doping could enhance the photocatalytic properties of the MoS2 monolayer.
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