GW band structure of monolayer MoS2 using the SternheimerGW method and effect of dielectric environment

准粒子 电介质 带隙 单层 电子能带结构 凝聚态物理 物理 材料科学 结晶学 光电子学 纳米技术 化学 超导电性
作者
Nourdine Zibouche,Martin Schlipf,Feliciano Giustino
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:103 (12) 被引量:20
标识
DOI:10.1103/physrevb.103.125401
摘要

Monolayers of transition-metal dichalcogenides (TMDs) hold great promise as future nanoelectronic and optoelectronic devices. An essential feature for achieving high device performance is the use of suitable supporting substrates, which can affect the electronic and optical properties of these two-dimensional (2D) materials. Here, we perform many-body GW calculations using the SternheimerGW method to investigate the quasiparticle band structure of monolayer ${\mathrm{MoS}}_{2}$ subject to an effective dielectric screening model, which is meant to approximately describe substrate polarization in real device applications. We show that, within this model, the dielectric screening has a sizable effect on the quasiparticle band gap; for example, the gap renormalization is as large as 250 meV for ${\mathrm{MoS}}_{2}$ with model screening corresponding to ${\mathrm{SiO}}_{2}$. Within the ${\mathrm{G}}_{0}{\mathrm{W}}_{0}$ approximation, we also find that the inclusion of the effective screening induces a direct band gap, in contrast to the unscreened monolayer. We also find that the dielectric screening induces an enhancement of the carrier effective masses by as much as 27% for holes, shifts plasmon satellites, and redistributes quasiparticle weight. Our results highlight the importance of the dielectric environment in the design of 2D TMD-based devices.

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