First-principles study of mixing in the system of layered dichalcogenides MoS2-WS2

Editorial Board PCSS Journal; Олександр Васільєв

doi:10.15330/pcss.26.2.261-266

Автор(и)

Олександр Васільєв Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м.Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-8358-7665

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.2.261-266

Ключові слова:

дихалькогеніди перехідних металів, тверді розчини, енергія змішування, основні стани, теорія функціоналу електронної густини, кластерний розклад сплавів

Анотація

Термодинамічна стабільність і поведінка при змішуванні у системі MoS₂-WS₂ були досліджені за допомогою моделі кластерного розкладу, побудованої на основі розрахунків за теорією функціоналу електронної густини (DFT). Використання кластерного розкладу забезпечило ефективне залучення структурних конфігурацій для подолання обчислювальних обмежень прямих розрахунків за DFT. Модель кластерного розкладу була валідована додатковими розрахунками DFT та характеризувалась середньоквадратичною похибкою на рівні до 1,0 × 10⁻⁴ еВ/атом і R2 = 0,74. Ландшафт енергії змішування був проаналізований, щоб визначити існування впорядкованих структур основного стану та оцінити стабільність твердих розчинів. Результати показують, що MoS₂ та WS₂ утворюють стабільні тверді розчини у всьому діапазоні складу, зі специфічними тенденціями впорядкування в широкому діапазоні проміжних атомних концентрацій вольфраму, від XW = 0,33 до 0,66. Сконструйована опукла оболонка передбачає велику кількість основних станів у цьому діапазоні з мотивами впорядкування де один атом розчиненої речовини знаходиться в шестикутнику утвореному атомами розчинника у межах одного шару. В загальному малі значення енергії змішування вказують на домінуючу роль ентропії за температур синтезу. Отримані дані дають змогу зрозуміти термодинамічні чинники формування твердих розчинах дихалькогенідів перехідних металів системи MoS₂-WS₂, сприяючи раціональному дизайну матеріалів на їх основі.

Посилання

A. Kutana, E.S. Penev, B.I. Yakobson, Engineering electronic properties of layered transition-metal dichalcogenide compounds through alloying, Nanoscale, 6, 5820 (2014); https://doi.org/10.1039/C4NR00177J.

M. Ye, D. Zhang, Y.K. Yap, Recent Advances in Electronic and Optoelectronic Devices Based on Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides, Electronics, 6, 43 (2017); https://doi.org/10.3390/electronics6020043.

A. Piacentini, A. Daus, Z. Wang, M.C. Lemme, D. Neumaier, Potential of Transition Metal Dichalcogenide Transistors for Flexible Electronics Applications, Advanced Electronic Materials, 9, 2300181 (2023); https://doi.org/10.1002/aelm.202300181.

D.M. Khaidar, W.N.R.W. Isahak, Z.A.C. Ramli, K.N. Ahmad, Transition metal dichalcogenides-based catalysts for CO2 conversion: An updated review, International Journal of Hydrogen Energy, 68, 35 (2024); https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.04.220.

D.O. Idisi, B. Mwakikunga, Two-dimensional layered metal dichalcogenides-based heterostructures for solar cells applications: A review, Solar Energy, 263, 111981 (2023); https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.111981.

S. Ali, S.S. Ahmad Shah, M. Sufyan Javed, T. Najam, A. Parkash, S. Khan, M.A. Bajaber, S.M.M. Eldin, R.A. Tayeb, M.M. Rahman, J. Qi, Recent Advances of Transition Metal Dichalcogenides-Based Materials for Energy Storage Devices, in View of Monovalent to Divalent Ions, The Chemical Record, 24, e202300145 (2024); https://doi.org/10.1002/tcr.202300145.

M. Samadi, N. Sarikhani, M. Zirak, H. Zhang, H.-L. Zhang, A.Z. Moshfegh, Group 6 transition metal dichalcogenide nanomaterials: synthesis, applications and future perspectives, Nanoscale Horizons, 3, 90 (2018); https://doi.org/10.1039/C7NH00137A.

C. Chen, Y. Yang, X. Zhou, W. Xu, Q. Cui, J. Lu, H. Jing, D. Tian, C. Xu, T. Zhai, H. Xu, Synthesis of Large-Area Uniform MoS2–WS2 Lateral Heterojunction Nanosheets for Photodetectors, ACS Appl. Nano Mater., 4 5522 (2021); https://doi.org/10.1021/acsanm.1c00890.

X. Hong, J. Kim, S.-F. Shi, Y. Zhang, C. Jin, Y. Sun, S. Tongay, J. Wu, Y. Zhang, F. Wang, Ultrafast charge transfer in atomically thin MoS₂/WS₂ heterostructures, Nat Nanotechnol., 9 682 (2014); https://doi.org/10.1038/nnano.2014.167.

K. Chen, X. Wan, W. Xie, J. Wen, Z. Kang, X. Zeng, H. Chen, J. Xu, Lateral Built-In Potential of Monolayer MoS2-WS2 In-Plane Heterostructures by a Shortcut Growth Strategy, Adv. Mater., 27, 6431–6437 (2015); https://doi.org/10.1002/adma.201502375.

C. Ataca, H. Şahin, S. Ciraci, Stable, Single-Layer MX2 Transition-Metal Oxides and Dichalcogenides in a Honeycomb-Like Structure, J. Phys. Chem. C, 116, 8983 (2012); https://doi.org/10.1021/jp212558p.

M.A. Meitl, Z.T. Zhu, V. Kumar, K.J. Lee, X. Feng, Y.Y. Huang, I. Adesida, R.G. Nuzzo, J.A. Rogers, Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp, Nature Materials, 5 33 (2006); https://doi.org/10.1038/nmat1532.

A. Castellanos-Gomez, M. Buscema, R. Molenaar, V. Singh, L. Janssen, H.S.J. van der Zant, G.A. Steele, Deterministic transfer of two-dimensional materials by all-dry viscoelastic stamping, 2D Mater., 1, 011002 (2014); https://doi.org/10.1088/2053-1583/1/1/011002.

S. Vishwanath, X. Liu, S. Rouvimov, L. Basile, N. Lu, A. Azcatl, K. Magno, R.M. Wallace, M. Kim, J.-C. Idrobo, J.K. Furdyna, D. Jena, H.G. Xing, Controllable growth of layered selenide and telluride heterostructures and superlattices using molecular beam epitaxy, Journal of Materials Research, 31, 900 (2016); https://doi.org/10.1557/jmr.2015.374.

Y. Gong, J. Lin, X. Wang, G. Shi, S. Lei, Z. Lin, X. Zou, G. Ye, R. Vajtai, B.I. Yakobson, H. Terrones, M. Terrones, B.K. Tay, J. Lou, S.T. Pantelides, Z. Liu, W. Zhou, P.M. Ajayan, Vertical and in-plane heterostructures from WS2/MoS2 monolayers, Nat Mater, 13, 1135 (2014); https://doi.org/10.1038/nmat4091.

M. Morant-Giner, I. Brotons-Alcázar, N.Y. Shmelev, A.L. Gushchin, L.T. Norman, A.N. Khlobystov, A. Alberola, S. Tatay, J. Canet-Ferrer, A. Forment-Aliaga, E. Coronado, WS2/MoS2 Heterostructures through Thermal Treatment of MoS2 Layers Electrostatically Functionalized with W3S4 Molecular Clusters, Chemistry – A European Journal, 26, 6670 (2020); https://doi.org/10.1002/chem.202000248.

H.-P. Komsa, A.V. Krasheninnikov, Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenide Alloys: Stability and Electronic Properties, J. Phys. Chem. Lett., 3 3652 (2012); https://doi.org/10.1021/jz301673x.

P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, M. Buongiorno Nardelli, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, M. Cococcioni, N. Colonna, I. Carnimeo, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, P. Delugas, R.A. DiStasio, A. Ferretti, A. Floris, G. Fratesi, G. Fugallo, R. Gebauer, U. Gerstmann, F. Giustino, T. Gorni, J. Jia, M. Kawamura, H.-Y. Ko, A. Kokalj, E. Küçükbenli, M. Lazzeri, M. Marsili, N. Marzari, F. Mauri, N.L. Nguyen, H.-V. Nguyen, A. Otero-de-la-Roza, L. Paulatto, S. Poncé, D. Rocca, R. Sabatini, B. Santra, M. Schlipf, A.P. Seitsonen, A. Smogunov, I. Timrov, T. Thonhauser, P. Umari, N. Vast, X. Wu, S. Baroni, Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO, J. Phys.: Condens. Matter, 29, 465901 (2017); https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79.

J.P. Perdew, A. Zunger, Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems, Phys. Rev. B, 23, 5048 (1981); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048.

O.O. Vasiliev, Thermodynamic Properties of Hexagonal Molybdenum Disulfide Calculated from First Principles, Powder Metall. Met. Ceram., 58, 230 (2019); https://doi.org/10.1007/s11106-019-00068-x.

O.O. Vasiliev, Thermodynamic Properties of Tungsten Disulfide from First Principles in Quasi-Harmonic Approximation, Powder Metall. Met. Ceram., 59 576 (2021); https://doi.org/10.1007/s11106-021-00185-6.

H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B, 13 5188 (1976); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188.

A. Hjorth Larsen, J. Jørgen Mortensen, J. Blomqvist, I.E. Castelli, R. Christensen, M. Dułak, J. Friis, M.N. Groves, B. Hammer, C. Hargus, E.D. Hermes, P.C. Jennings, P. Bjerre Jensen, J. Kermode, J.R. Kitchin, E. Leonhard Kolsbjerg, J. Kubal, K. Kaasbjerg, S. Lysgaard, J. Bergmann Maronsson, T. Maxson, T. Olsen, L. Pastewka, A. Peterson, C. Rostgaard, J. Schiøtz, O. Schütt, M. Strange, K.S. Thygesen, T. Vegge, L. Vilhelmsen, M. Walter, Z. Zeng, K.W. Jacobsen, The atomic simulation environment—a Python library for working with atoms, J. Phys.: Condens. Matter, 29, 273002 (2017); https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa680e.

J.M. Sanchez, The Cluster Expansion Method, in: J.L. Morán-López, J.M. Sanchez (Eds.), Theory and Applications of the Cluster Variation and Path Probability Methods (Springer US, Boston, MA,: 175 (1996); https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0419-7_11.

M. Angqvist, W.A. Muñoz, J.M. Rahm, E. Fransson, C. Durniak, P. Rozyczko, T.H. Rod, P. Erhart, ICET – A Python Library for Constructing and Sampling Alloy Cluster Expansions, Adv. Theory Simul., 2, 1900015 (2019); https://doi.org/10.1002/adts.201900015.