Naš doktorand Borna Pielić i nekoliko članova SIMAT grupe, zajedno sa suradnicima sa Sveučilišta u Siegenu i Sveučilišta u Zagrebu, objavili su znanstveni rad u prestižnom časopisu ACS Applied Materials & Interfaces na temu rasta i karakterizacije kvazi-slobodnostojećih WS₂/MoS₂ heterostruktura. 

Electronic Structure of Quasi-Freestanding WS₂/MoS₂ Heterostructures

Borna Pielić, Dino Novko, Iva Šrut Rakić, Jiaqi Cai, Marin Petrović, Robin Ohmann, Nataša Vujičić, Mario Basletić, Carsten Busse, and Marko Kralj,  ACS Appl. Mater. Interfaces (2021).

DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c15412

 

Rast dvodimenzionalnih (2D) materijala u uvjetima ultra-visokog vacuuma (UHV) omogućuje in-situ karakterizaciju uzoraka s direktnim spektroskopskim uvidom. Heteroepitaksija dihalkogenida prijelaznih metala (TMDs) u UHV-u još uvijek je izazov za integraciju određenih monoslojeva u novi funkcionalni sistem. U ovom radu proučen je epitaksijalni rast lateralne WS₂ −MoS₂ i vertikalne WS₂/MoS₂ heterostrukture na grafenu (slika 1). Uz pomoć skenirajuće tunelirajuće spektroskopije (STS) te teorije funkcionala gusto¢e (DFT), prvo je istražena elektronska struktura monoslojeva MoS₂ i WS₂, te WS₂/MoS₂ vertikalne heterostrukture. Slaba van der Waals (vdW) interakcija između TMD-a i grafena rezultirala je relativno velikim energijskim procijepima i tek neznatnim razlikama s  dobivenim DFT-PBE0 računima za slobodnostojeće slojeve. Također, zaključeno je da se i ostale kritične točke u energiji dobro slažu s DFT-om. U WS₂/MoS₂ vertikalnoj heterostrukturi otkriveno je jako međuslojno vezanje na temelju razlike u energiji kritičnih točaka Γ₁ i Γ₂. 

Štoviše, istraženo je i savijanje vrpci u neposrednoj blizini uskih jednodimenzionalnih (1D) granica, naime WS₂ −MoS₂ lateralne heterostrukture te zrcalne granice domena (MTB) u WS₂/MoS₂ vertikalnoj heterostrukturi. Uz pomoć STS-a i DFT-a dobivene su pozicija-energija mape za svaki sistem. Za dobro definiranu granicu WS₂ −MoS₂ lateralne heterostrukture potvrđeno pridruženje vrpci tipa-II (slika 2). Uz pomoć jednostavnog udžbeničkog modela za pn spojeve, određeno je električno polje na granici od 100×10⁶ V/m te područje osiromašenja naboja od 5 nm. Takva mala područja osiromašenja naboja popraćena su relativno velikim koncentracijama naboja. Uz ovaj model, korištena je i nelinearna Thomas-Fermi teorija uz pomoć koje su određene koncentracije naboja, te je zaključeno da se potonja dva modela relativno dobro slažu. Granica domena, konkretno 4|4E MTB, pojavljuje se između dva WS₂ otoka na MoS₂ na Gr/Ir(111). Linijski STS profil otkriva da se oba ruba energijskog procjepa savijaju simetrično s obzirom na granicu. Zaključeno je da MTB sadrži naboj definiran 1D vrpcom MTB-a te polarizacijskim nabojem. Razmatranjem savijanja kritičnih točaka u energiji na rubovima procjepa, dolazi se također do zaključka da dielektrično zasjenjenje od grafena uglavnom utječe na prvi sloj, odnosno MoS₂. U takvoj su okolini WS₂/MoS₂ heterostrukturi parcijalno sačuvana njena slobodnostojeća svojstva. Kvazi-slobodnostojeće heterostrukture s oštro definiranim granicama, visokim intrinsičnim električnim poljima, te uskim područjima osiromašenja odlični su kandidati za dizajniranje elektroničkih i optoelektroničkih uređaja budućnosti.