Systematic study of structural, electronic, and optical properties of atomic-scale defects in the two-dimensional transition metal dichalcogenidesMX2(M = Mo, W;

空位缺陷 材料科学 带隙 凝聚态物理 密度泛函理论 电子结构 原子单位 过渡金属 物理 计算化学 光电子学 化学 量子力学 生物化学 催化作用
作者
Soumyajyoti Haldar,Hakkim Vovusha,Manoj Kumar Yadav,Olle Eriksson,Biplab Sanyal
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:92 (23) 被引量:201
标识
DOI:10.1103/physrevb.92.235408
摘要

In this work, we have systematically studied structural, electronic and magnetic properties of atomic scale defects in 2D transition metal dichalcogenides MX$_2$, (M = Mo and W; X = S, Se and Te) by density functional theory. Various types of defects, e.g., X vacancy, X interstitial, M vacancy, M interstitial, MX and XX double vacancies have been considered. It has been found that the X interstitial has the lowest formation energy ($\sim$ 1 eV) for all the systems in the X--rich condition whereas for M--rich condition, X vacancy has the lowest formation energy except for \ce{MTe2} systems. Both these defects have very high equilibrium defect concentrations at growth temperatures (1000K-1200K) reported in literature. A pair of defects, e.g., two X vacancies or one M and one X vacancies tend to occupy the nearest possible distance. No trace of magnetism has been found for any one of the defects considered. Apart from X interstitial, all other defects have defect states appearing in the band gap, which can greatly affect the electronic and optical properties of the pristine systems. Our calculated optical properties show that the defect states cause optical transitions at $\sim$ 1.0 eV, which can be beneficial for light emitting devices. The results of our systematic study are expected to guide the experimental nanoengineering of defects to achieve suitable properties related to band gap modifications and characterization of defect fingerprints via optical absorption measurements.
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