Engineering of Vacancy Defects in WS2 Monolayer by Rare‐Earth (Er, Tm, Lu) Doping: A First‐Principles Study

带隙 兴奋剂 空位缺陷 材料科学 凝聚态物理 密度泛函理论 超单元 镧系元素 光电子学 计算化学 化学 离子 物理 雷雨 气象学 有机化学
作者
Yang Zhao,Bing Yan,Xianxiao Liang,Shaoxiang Liu,Xuan Shi,Hongquan Zhao
出处
期刊:Physica Status Solidi B-basic Solid State Physics [Wiley]
卷期号:260 (7) 被引量:20
标识
DOI:10.1002/pssb.202300055
摘要

Vacancy defects in two‐dimensional (2D) materials are critical to their properties. The substitutional doping in vacancy defects by rare‐earth atoms results in diverse material versatilities, but the effects and the corresponding mechanisms are far from being answered. Herein, the electronic and optical properties of vacancy defects and lanthanide rare‐earth (RE = Er, Tm, Lu) doping in WS 2 monolayers are studied based on density functional theory with Hubbard correction (DFT + U). The formation energies of defective and doped systems are calculated under W‐rich and S‐rich conditions, respectively. The bandgap of WS 2 with one W‐defect in a 4 × 4 × 1 supercell changes from direct to indirect, while S‐defect does not change the bandgap type of the supercell. When RE atoms are doped in the W‐defect, the bandgap returns to direct. WS 2 supercells with intrinsic defects and Lu doped in [W] defect show the nonmagnetic property, while Er‐ and Tm‐doped supercells show obvious magnetic properties. The imaginary part of dielectric function and absorption coefficients increase drastically from visible to near‐infrared as RE atoms substitute W sites, and the bandgap shrinks due to the rise of the valance band maximum. This work proves RE doping in 2D WS 2 is an effective technique for bandgap and carrier engineering.
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