稀土掺杂单层二硫化钨的电子和光学性质【QuantumATK亮点文章】

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概述

此项研究了计算了含钬取代杂质（HoW）单层二硫化钨（WS2）的电学和光学性质。虽然 Ho 比 W 大得多，但使用包括自旋-轨道耦合的密度泛函理论（DFT）表明 Ho:SL WS2 是稳定的。自旋分辨 DFT 计算给出 Ho 杂质的磁矩为 4.75µB。在光谱中识别出的光学选择规则与用群论推导的光学选择规则完全匹配。中性杂质的存在导致了带结构中具有f轨道特征的局域杂质态（LIS）。利用 Kubo-Greenwood 公式计算得到的光学响应 χ‖ 和 χ⊥ 的平面内和平面外分量中获得了类似原子的尖锐跃迁，光学谐振峰与实验数据吻合良好。

研究内容

图1.（a）8×8×1 SL WS2 超胞中 HoW 杂质示意图。（b）本征 SL WS2 的能带和态密度，显示面内带隙 1.6 eV，面外带隙3.2 eV。 价带边缘由于自旋轨道耦合（SOC）发生了大小为 433 meV 的劈裂。DOS 中的灰色区域为总态密度，红线为 W 的 d 轨道；蓝线为 S 的 p 轨道，黑线为二者之和。（c）本征 WS2 的光学响应，显示了面内和面外的带隙。
图2. HoW 掺杂的 8×8×1 WS2 超胞的能带和态密度。灰色区域为总态密度，彩色曲线为态密度投影（蓝：Ho 原子的f轨道；绿：邻近 S 原子的 p 轨道；红：次紧邻 W 原子的 d 轨道）。明显看出 LIS 为无色散的局域化态，有些在带隙，有些在 WS2的价带。箭头表示共振的光学跃迁。LIS 对应的本征态根据 D3h 点群的不可约表示进行变换。
图3. （a）HoW:SL WS2 的自旋极化态密度。红/蓝分别对应两种自旋总态密度，青/粉分别对应 Ho 原子的投影。（b）自旋密度集中在 Ho 原子上，磁矩为 4.75 μB。
图4. 8×8×1 超胞 WS2 中的 HoW 杂质的几种 Bloch 态。
图5. WS2 中 Ho f 轨道与分子轨道图，对应于能带中的 LIS。
图6. SL WS2 中的光学选择定则。
图7. QuantumATK 计算的光学谱显示了 WS2 中的 HoW 杂质造成的面内和面外的共振峰。

结论

作者关于 SL WS2 中杂质的电子和光学性质的结果揭示了带隙内部和附近的 LIS，以及在 χ‖ 和 χ⊥ 的中类似原子的尖锐光学跃迁，尖锐光学跃迁表明退相干时间应该很长，这是自旋量子位的主要标准之一，因此认为 TMD 中的稀土原子是很好的自旋量子位候选。选择不含顺磁性杂质和核自旋的主体材料，可以显著增加杂质自旋的自旋相干时间。

参考

  • Khan, M.A., Leuenberger, M.N. First-principles study of the electronic and optical properties of HoW impurities in single-layer tungsten disulfide. Sci Rep 12, 11437 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14499-x