Magnetisme yang Dipicu Cacat dan Teknik Tekanan pada Monolayer WSe2: Studi DFT
Abstrak
Menggunakan teori fungsi densitas first‑principles (DFT), kami menyelidiki bagaimana berbagai rongga kosong dan regangan biaksial tarik mengubah sifat struktural, elektronik, dan magnetik dari monolayer tungsten diselenida (WSe₂). Pengangkatan dua atom tungsten (V_W2) atau satu atom tungsten bersama dengan enam atom selenium tetangganya (V_WSe6) menghasilkan momen magnetik 2 μ_B dan 6 μ_B, masing-masing, dengan konfigurasi V_W2 menjadi setengah‑logam. Di sampingnya, rongga tunggal (V_Se, V_W) dan rongga ganda selenium (V_Se‑Se) mempertahankan karakter semikonduktor non‑magnetik tetapi memperkenalkan status penampilan yang menyempitkan band gap. Regangan biaksial tarik hingga 7% lebih menyetel band gap dan momen magnetik, memungkinkan konversi cacat V_W non‑magnetik menjadi status magnetik dengan hingga 4 μ_B. Temuan ini menyoroti rekayasa cacat dan regangan sebagai rute yang kuat untuk mewujudkan semikonduktor magnetik dalam WSe₂.
Pendahuluan
Monolayer dicalkogen logam transisi (TMD) seperti WSe₂ memiliki band gap langsung (~1,6 eV) dan mobilitas pembawa tinggi (~250 cm²/Vs), menjadikannya menarik untuk elektronik dan optoelektronik generasi mendatang. Namun, WSe₂ murni secara intrinsik non‑magnetik, yang membatasi penggunaannya dalam perangkat berbasis spin. Cacat—terutama rongga—umum dalam materi 2D dan dapat sangat memodifikasi struktur elektronik dan perilaku magnetiknya. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa rongga dalam grafen, MoS₂, dan BaTiO₃ dapat menginduksi magnetisme. Rekayasa regangan adalah alat yang kuat lainnya; monolayer WSe₂ dapat menahan >10% regangan, yang memungkinkan modulasi band gap dan magnetisme. Di sini, kami secara sistematis mengeksplorasi efek gabungan rongga dan regangan biaksial tarik pada monolayer WSe₂ menggunakan perhitungan DFT terbaru.
Metode Komputasi
Semua perhitungan dilakukan dengan Paket Simulasi Ab‑initio Vienna (VASP) menggunakan fungsi PBE dan pseudopotensi PAW. Pemotongan gelombang datar 300 eV dan jaringan k‑titik 3×3×1 digunakan untuk sel super 5×5×1. Struktur direlaks sampai gaya turun di bawah 0,02 eV/Å, dan konvergensi energi total diatur ke 10⁻⁴ eV. Regangan biaksial tarik (ε) didefinisikan sebagai ε = (c − c₀)/c₀ × 100%. Energi formasi dihitung melalui E_form = E_defect − E_pristine + ∑n_i u_i, di mana u_i adalah potensial kimia atom.
Hasil dan Pembahasan
Monolayer WSe₂ Murni
Struktur 1H‑WSe₂ yang direlaksasi menunjukkan panjang ikatan W–W dan W–Se sebesar 3,31 Å dan 2,54 Å, sesuai dengan eksperimen. Band gap PBE adalah 1,54 eV; HSE06 menghasilkan gap yang lebih akurat sebesar 2,0 eV, mengonfirmasi sifat semikonduktor band gap langsungnya.
Status Elektronik dan Magnetik yang Diinduksi oleh Rongga
Kami memeriksa tujuh konfigurasi rongga: tunggal (V_Se, V_W), ganda (V_Se‑Se, V_Se2, V_W2), dan kompleks lebih besar (V_WSe3, V_WSe6). Energi formasi menunjukkan bahwa rongga Se tunggal paling mungkin terbentuk, sedangkan cacat yang lebih besar memerlukan input energi yang lebih tinggi.
Analisis struktur elektronik mengungkapkan bahwa V_Se, V_Se‑Se, V_W, dan V_WSe3 tetap menjadi semikonduktor non‑magnetik tetapi dengan gap yang berkurang (1,18 eV, 1,15 eV, 0,18 eV, 0,76 eV, masing-masing). Sebaliknya, V_W2 menjadi setengah‑logam, yang menampilkan gap minor‑spin 0,19 eV dan momen bersih 2 μ_B. V_WSe6 menunjukkan perilaku semikonduktor magnetik dengan momen 6 μ_B dan gap yang sempit.
Analisis densitas parsial keadaan (PDAS) mengaitkan status penampilan dengan orbital W d dan Se p di dekat rongga. Untuk V_W2, orbital Se p_x mendominasi tepi konduksi, sementara W d_x²–y² dan d_z² membentuk tepi valensi.
Efek Regangan Biaksial Tarik
Penerapan regangan biaksial tarik 0–7% pada WSe₂ murni tidak menginduksi magnetisme dan mengurangi band gap menjadi 0,5 eV pada 7% regangan. Untuk sistem yang cacat, regangan secara sistematis menyempitkan gap V_Se, V_Se‑Se, dan V_WSe3 dari ~1,1 eV menjadi 0,5 eV, 0,5 eV, dan 0,3 eV, masing-masing. V_W, V_W2, dan V_WSe6 tetap <0,2 eV gap di bawah regangan.
Secara krusial, regangan tarik mengubah cacat V_W non‑magnetik menjadi status magnetik dengan momen 4 μ_B di luar 1% regangan, sementara V_W2 dan V_WSe6 mempertahankan momen magnetik mereka (6 μ_B hingga 6% regangan, menurun menjadi 4 μ_B pada 7%). Plot densitas spin mengonfirmasi bahwa magnetisme berasal dari atom W dan atom Se yang berdekatan.
Kesimpulan
Studi DFT kami menunjukkan bahwa rekayasa rongga, dikombinasikan dengan regangan biaksial tarik, dapat mengubah monolayer WSe₂ dari semikonduktor non‑magnetik menjadi setengah‑logam magnetik atau semikonduktor magnetik. Rongga Se tunggal dan W mengurangi band gap tetapi mempertahankan non‑magnetisme; rongga ganda W dan kompleks V_WSe6 memperkenalkan momen magnetik yang signifikan (2 μ_B dan 6 μ_B, masing-masing). Regangan tarik lebih menyetel kedua gap elektronik dan momen magnetik, yang menawarkan rute praktis untuk merancang semikonduktor magnetik 2D untuk aplikasi spintronik dan valleytronik.
