First-principles investigation of the role of Cr in the electronic properties of the two-dimensional MoxCr1−xSe2 and WxCr1−xSe2 alloys

异质结 带隙 材料科学 电子结构 半导体 凝聚态物理 电子能带结构 范德瓦尔斯力 格子(音乐) 结晶学 物理 光电子学 量子力学 化学 分子 声学
作者
Alexandre C. Dias,Helena Bragança,Matheus P. Lima,Juarez L. F. Da Silva
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:6 (5) 被引量:16
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.6.054001
摘要

The tuning of the structural and electronic properties of two-dimensional semiconductor monolayers is highly desirable for designing van der Waals heterostructures, which can be employed for several optoelectronic applications. Here, we report a theoretical investigation based on the combination of spin-polarized density functional theory calculations and alloying structures generated by the special quasirandom structure method to investigate the energetic stability and band gap engineering of the compounds ${\mathrm{Mo}}_{x}{\mathrm{Cr}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{Se}}_{2}$ and ${\mathrm{W}}_{x}{\mathrm{Cr}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{Se}}_{2}$ as a function of the Cr composition for $x=0$ up to 1. We found that even a small concentration of Cr already flattens the low-energy electronic bands and decreases the fundamental electronic band gap. Due the lattice mismatch of the compounds ${\mathrm{CrSe}}_{2}$ and Mo(W)${\mathrm{Se}}_{2}$, the renormalization of the electronic properties is nonlinear as a function of the Cr composition. We found bowing parameters for the work function and band gap that change in magnitude from 0.066 to $1.178\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{e}\mathrm{V}$, respectively. From our analyses, Cr alloying decreases the band gap of these monolayers in the direction of the maximum performance band gap predicted by the Shockley-Queisser limit for photovoltaic applications. Band alignment analysis reveals that stacks of Mo(W)${}_{x}{\mathrm{Cr}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{Se}}_{2}$ monolayers with particular compositions $x$ can form type II heterojunctions with a high solar harvesting efficiency.
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