Defects and oxidation of group-III monochalcogenide monolayers

单层 硫族元素 化学吸附 空位缺陷 分子 离解(化学) 群(周期表) 材料科学 结晶学 化学 微电子 纳米技术 吸附 物理化学 有机化学
作者
Yu Guo,Jijun Zhao,Yizhen Bai
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:147 (10) 被引量:35
标识
DOI:10.1063/1.4993639
摘要

Among various two-dimensional (2D) materials, monolayer group-III monochalcogenides (GaS, GaSe, InS, and InSe) stand out owing to their potential applications in microelectronics and optoelectronics. Devices made of these novel 2D materials are sensitive to environmental gases, especially O2 molecules. To address this critical issue, here we systematically investigate the oxidization behaviors of perfect and defective group-III monochalcogenide monolayers by first-principles calculations. The perfect monolayers show superior oxidation resistance with large barriers of 3.02–3.20 eV for the dissociation and chemisorption of O2 molecules. In contrast, the defective monolayers with single chalcogen vacancy are vulnerable to O2, showing small barriers of only 0.26–0.36 eV for the chemisorption of an O2 molecule. Interestingly, filling an O2 molecule to the chalcogen vacancy of group-III monochalcogenide monolayers could preserve the electronic band structure of the perfect system—the bandgaps are almost intact and the carrier effective masses are only moderately disturbed. On the other hand, the defective monolayers with single vacancies of group-III atoms carry local magnetic moments of 1–2 μB. These results help experimental design and synthesis of group-III monochalcogenides based 2D devices with high performance and stability.

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