Дефект-индуцированный магнетизм и деформационная инженерия в монослойном WSe₂: DFT исследование

Аннотация

Используя первую-принципную теорию функционала плотности (DFT), мы исследовали, как различные вакантные дефекты и биаксиальное растяжение меняют структурные, электронные и магнитные свойства монослойного вольфрамоидного диселенида (WSe₂). Удаление двух вольфрама (V_W2) или одного вольфрама с шестью соседями селена (V_WSe6) индуцирует магнитные моменты 2 μ_B и 6 μ_B соответственно, при этом конфигурация V_W2 становится полуметаллом. В контрасте, одноатомные вакансии (V_Se, V_W) и двойные селеновые вакансии (V_Se-Se) сохраняют немагнитный полупроводниковый характер, но вводят примесные состояния, сужающие запрещенную зону. Растяжение до 7% дополнительно настраивает запрещенную зону и магнитные моменты, позволяя конвертировать немагнитные V_W дефекты в магнитные состояния до 4 μ_B. Эти находки подчеркивают дефектную инженерию и деформацию как мощные пути к реализации магнитных полупроводников в WSe₂.

Введение

Монослойные дихалкогениды переходных металлов (TMD) такие как WSe₂ обладают прямой запрещенной зоной (~1.6 эВ) и высокой подвижностью носителей (~250 см²/В·с), делая их привлекательными для электроники и оптоэлектроники следующего поколения. Однако pristine WSe₂ внутренне не磁性, ограничивая использование в спин-базированных устройствах. Дефекты — особенно вакансии — повсеместны в 2D материалах и могут глубоко модифицировать их электронную структуру и магнитное поведение. Предыдущие исследования показали, что вакансии в графене, MoS₂ и BaTiO₃ могут индуцировать магнетизм. Деформационная инженерия — еще один мощный инструмент; монослойный WSe₂ выдерживает >10% деформации, позволяя модуляцию зонного зазора и магнетизма. Здесь мы систематически исследуем комбинированные эффекты вакантных дефектов и биаксиального растяжения на монослойном WSe₂ с помощью передового DFT.

Вычислительные методы

Все расчеты выполнены пакетом Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) с PBE функционалом и PAW псевдопотенциалами. Плоско-волновый отсечение 300 эВ и 3×3×1 k-точечная сетка для 5×5×1 суперклетки. Структуры релаксировали до сил <0.02 эВ/Å, сходимость полной энергии 10⁻⁴ эВ. Биаксиальное растяжение (ε) определяли как ε = (c - c₀)/c₀ × 100%. Энергии формирования рассчитывали через E_form = E_defect - E_pristine + Σ n_i u_i, где u_i — атомные химические потенциалы.

Результаты и обсуждение

Pristine монослойный WSe₂

Релаксированная 1H-WSe₂ структура показывает W-W и W-Se длины связей 3.31 Å и 2.54 Å, в согласии с экспериментом. PBE запрещенная зона 1.54 эВ; HSE06 дает более точные 2.0 эВ, подтверждая прямую зонную природу полупроводника.

Вакантно-индуцированные электронные и магнитные состояния

Исследовали семь вакантных конфигураций: одноатомные (V_Se, V_W), двухатомные (V_Se-Se, V_Se2, V_W2) и более крупные комплексы (V_WSe3, V_WSe6). Энергии формирования показывают, что одноатомные селеновые вакансии наиболее вероятны к формированию, в то время как более крупные дефекты требуют больших энергозатрат.

Анализ электронной структуры раскрывает, что V_Se, V_Se-Se, V_W и V_WSe3 остаются немагнитными полупроводниками, но с уменьшенными зазорами (1.18 эВ, 1.15 эВ, 0.18 эВ, 0.76 эВ соответственно). В контрасте, V_W2 становится полуметаллом, демонстрируя 0.19 эВ minority-спин зазор и чистый момент 2 μ_B. V_WSe6 показывает магнитный полупроводниковый характер с 6 μ_B моментом и узким зазором.

Частичные плотности состояний (PDOS) атрибутируют примесные состояния W d и Se p орбиталям возле вакансий. Для V_W2 Se p_x доминирует на проводящем крае, тогда как W d_{x²-y²} и d_{z²} формируют валентный край.

Эффект биаксиального растяжения

Применение 0–7% биаксиального растяжения к pristine WSe₂ не индуцирует магнетизм и снижает зазор до 0.5 эВ при 7%. Для дефектов растяжение систематически сужает зазоры V_Se, V_Se-Se и V_WSe3 с ~1.1 эВ до 0.5 эВ, 0.5 эВ и 0.3 эВ соответственно. V_W, V_W2 и V_WSe6 остаются <0.2 эВ зазорами под растяжением.

Ключевое: растяжение трансформирует немагнитный V_W дефект в магнитное состояние с 4 μ_B моментом свыше 1% растяжения, в то время как V_W2 и V_WSe6 сохраняют свои магнитные моменты (6 μ_B до 6% растяжения, падая до 4 μ_B при 7%). Спин-плотностные графики подтверждают, что магнетизм исходит от W и смежных Se атомов.

Заключение

Наше DFT исследование демонстрирует, что вакантная инженерия, комбинированная с биаксиальным растяжением, может трансформировать монослойный WSe₂ из немагнитного полупроводника в магнитный полуметалл или магнитный полупроводник. Одноатомные Se и W вакансии сужают зазор, но сохраняют немагнетизм; двух-атомные W вакансии и V_WSe6 комплекс вводят значительные магнитные моменты (2 μ_B и 6 μ_B). Растяжение дополнительно настраивает электронные зазоры и магнитные моменты, предлагая практический путь к дизайну 2D магнитных полупроводников для спин- и валлейтроники приложений.