Stacking effects on the electronic and optical properties of bilayer transition metal dichalcogenidesMoS2,MoSe2,WS2, andWSe2

堆积 凝聚态物理 价(化学) 双层 材料科学 范德瓦尔斯力 相图 能量(信号处理) 物理 结晶学 相(物质) 化学 量子力学 分子 核磁共振 生物化学
作者
Jiangang He,Kerstin Hummer,Cesare Franchini
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:89 (7) 被引量:546
标识
DOI:10.1103/physrevb.89.075409
摘要

Employing the random phase approximation we investigate the binding energy and Van der Waals (vdW) interlayer spacing between the two layers of bilayer transition metal dichalcogenides ${\mathrm{MoS}}_{2}$, ${\mathrm{MoSe}}_{2}$, ${\mathrm{WS}}_{2}$, and ${\mathrm{WSe}}_{2}$ for five different stacking patterns, and examine the stacking-induced modifications on the electronic and optical/excitonic properties within the GW approximation with a priori inclusion of spin-orbit coupling and by solving the two-particle Bethe-Salpeter equation. Our results show that for all cases, the most stable stacking order is the high symmetry $A{A}^{\ensuremath{'}}$ type, distinctive of the bulklike $2H$ symmetry, followed by the $AB$ stacking fault, typical of the $3R$ polytypism, which is by only 5 meV/formula unit less stable. The conduction band minimum is always located in the midpoint between K and $\ensuremath{\Gamma}$, regardless of the stacking and chemical composition. All $M{X}_{2}$ undergo an direct-to-indirect optical gap transition going from the monolayer to the bilayer regime. The stacking and the characteristic vdW interlayer distance mainly influence the valence band splitting at K and its relative energy with respect to $\ensuremath{\Gamma}$, as well as, the electron-hole binding energy and the values of the optical excitations.
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