Stacking effects on the electronic and optical properties of bilayer transition metal dichalcogenides MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , and WSe 2

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 膜
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:572
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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