vestvfuВестник Северо-Восточного федерального университета имени М. К. АммосоваVestnik of North-Eastern Federal University2222-54042587-5620Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова10.25587/2222-5404-2023-20-3-42-49vestvfu-365Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESЭлектронные и оптические свойства планарной гетероструктуры MoS2/WS2Electronic and Optical Properties of MoS2/WS2 Planar HeterostructureШаринЕ. П.SharinE. P.

Шарин Егор Петрович – к.ф.-м.н., доцент кафедры теоретической физики

г. Якутск

Sharin Egor Petrovich – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Theoretical Physics

 Yakutsk

ep.sharin@s-vfu.ruНовгородовА. А.Novgorodov A. A.

Новгородов Арсен Андреевич – студент гр. БФ-19-2 ФТИ

г. Якутск

Novgorodov Arsen Andreevich – Student, Institute of Physics and Technology

 Yakutsk

muksunov97@mail.ruСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian FederationСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation2023021020232034249Copyright © Шарин Е.П., Новгородов А.А., 20232023Шарин Е.П., Новгородов А.А.Sharin E.P., Novgorodov  A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestvfu.elpub.ru/jour/article/view/365

Полупроводниковые гетероструктуры широко используются в различных электронных приборах. Двумерные полупроводниковые гетероструктуры являются предметом изучения фундаментальной науки и представляют интерес для различных приложений в наноэлектронике. Известно, что можно создавать как вертикальные, так и планарные гетероструктуры. В вертикальных гетероструктурах монослои уложены друг над другом и связаны друг с другом слабыми связями, называемыми вандерваальсовскими. В планарных гетероструктурах материалы совмещены вдоль слоев и атомы взаимодействуют между собой сильными ковалентными связями. Планарные гетероструктуры, в частности гетероструктура MoS2/WS2, обладают более тонкой перестройкой зонной структуры, которая проявляется в наблюдаемых оптических свойствах материала. Благодаря этому материал может использоваться в электронике для создания устройств на основе дихалькогенидов переходных металлов. Более того, планарная гетероструктура имеет различные оптические свойства в зависимости от поляризации света и направления распространения световых волн. Такое поведение позволяет использовать этот материал для создания оптических и связанных с ними устройств, таких как фильтры, оптические волокна и датчики. В настоящей работе мы исследуем электронные и оптические свойства планарной гетероструктуры MoS2/WS2 на основе теории функционала плотности. Рассчитана зонная структура планарной гетероструктуры MoS2/WS2, вычислены комплексные диэлектрические проницаемости и комплексные показатели преломления монослоев MoS2, WS2 и гетероструктуры MoS2/WS2.

Semiconductor heterostructures are widely used in various electronic devices. Two-dimensional semiconductor heterostructures are the subject of study in fundamental science and are of interest for various applications in nanoelectronics. It is known that both vertical and planar heterostructures can be created. In vertical heterostructures, monolayers are stacked on top of each other and are connected to each other by weak bonds, called van der Waals bonds. In planar heterostructures, the materials are aligned along the layers and the atoms interact with each other by strong covalent bonds. Planar heterostructures, in particular, the MoS2/WS2 heterostructure, have a finer band structure rearrangement, which manifests itself in the observed optical properties of the material. Due to this,the material can be used in the electronics to create devices based on transition metals – typical semiconductors of such materials. Moreover, a planar heterostructure has different optical properties depending on the polarization of light and the direction of propagation of light waves. This behavior allows this material to be used to create optical and related devices such as filters, optical fibers, and sensors. In this paper we study the electronic and optical properties of the planar MoS2/WS2 heterostructure based on the density functional theory. The band structure of the planar MoS2/WS2 heterostructure is calculated, and the complex permittivities and complex refractive indices of the MoS2 and WS2 monolayers and the MoS2/WS2 heterostructure are calculated.

теория функционала плотностикристаллическая структурадвумерные материалыпланарная гетероструктура MoS2 /WS2оптические свойствадиэлектрическая проницаемостьпоказатель преломлениякоэффициент затуханиязонная структураdensity functional theorycrystal structuretwo-dimensional materialsMoS2 /WS2 planar heterostructureoptical propertiespermittivityrefractive indexdamping factorband structureReferencesGrigorieva I. V., Geim A. K. (2013). Van der Waals heterostructures. Nature. V. 499. No 7459, pp. 419–425. doi:10.1038/nature12385Grigorieva I. V., Geim A. K. (2013). Van der Waals heterostructures. Nature. V. 499. No 7459, pp. 419–425. doi:10.1038/nature12385Xia F., Wang H., Xiao D. et al. (2014). Two-dimensional material nanophotonics. Nature Photonics.V. 8. No 12, pp. 899–907.Xia F., Wang H., Xiao D. et al. (2014). Two-dimensional material nanophotonics. Nature Photonics. V. 8. No 12, pp. 899–907.Li M.-Y., Shi Y., Cheng C.-C. et al. (2015). Epitaxial Growth of a Monolayer WSe<sub>2</sub>-MoS<sub>2</sub> Lateral Pn Junction with an Atomically Sharp Interface. Science. 349(6247), pp. 524–528. https://doi.org/10.1126/science.aab4097Li M.-Y., Shi Y., Cheng C.-C. et al. (2015). Epitaxial Growth of a Monolayer WSe2-MoS2 Lateral Pn Junction with an Atomically Sharp Interface. Science. 349(6247), pp. 524–528. https://doi.org/10.1126/ science.aab4097Формирование наноструктурированных пленок MoS2 , WS2 , MoO2 и гетероструктур на их основе / А. Б. Логинов, Р. Р. Исмагилов, С. Н. Бокова-Сирош и др. //Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91. – № 10. – С. 1509-1516. DOI: 10.21883/JTF.2021.10.51364.102-21Формирование наноструктурированных пленок MoS2 , WS2 , MoO2 и гетероструктур на их основе / А. Б. Логинов, Р. Р. Исмагилов, С. Н. Бокова-Сирош и др. //Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91. – № 10. – С. 1509-1516. DOI: 10.21883/JTF.2021.10.51364.102-21Xu H, Han X, Dai X et al. (2018). High detectivity and transparent few‐layer MoS2/glassy‐graphene heterostructure photodetectors. Advanced materials. V. 30. No 13, pp. 1706561. https://doi.org/10.1002/adma.201706561Xu H, Han X, Dai X et al. (2018). High detectivity and transparent few‐layer MoS2/glassy‐graphene heterostructure photodetectors. Advanced materials. V. 30. No 13, pp. 1706561. https://doi.org/10.1002/adma.201706561Du W., Yu P., Zhu J. et al. (2020). An ultrathin MoSe2 photodetector with near-perfect absorption. Nanotechnology. V. 31. No 22, pp. 225201. DOI:10.1088/1361-6528/ab746fDu W., Yu P., Zhu J. et al. (2020). An ultrathin MoSe2 photodetector with near-perfect absorption. Nanotechnology. V. 31. No 22, pp. 225201. DOI:10.1088/1361-6528/ab746fDu W., Li C., Sun J. et al. (2020). Nanolasers: Nanolasers Based on 2D Materials. Laser & photonics reviews. V. 14. No 12, p. 2070066. https://doi.org/10.1002/lpor.202070066Du W., Li C., Sun J. et al. (2020). Nanolasers: Nanolasers Based on 2D Materials. Laser & photonics reviews. V. 14. No 12, p. 2070066. https://doi.org/10.1002/lpor.202070066Butler S. Z., Hollen S. M., Cao L. et al. (2013). Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS nano. V. 7. – No 4, pp. 2898-2926. https://doi.org/10.1021/nn400280cButler S. Z., Hollen S. M., Cao L. et al. (2013). Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS nano. V. 7. – No 4, pp. 2898-2926. https://doi.org/10.1021/nn400280cHe Y.-M., Clark G., Schaibley J. R. et al. (2015). Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature nanotechnology. V. 10. No 6, pp. 497–502. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.75He Y.-M., Clark G., Schaibley J. R. et al. (2015). Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature nanotechnology. V. 10. No 6, pp. 497–502. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.75Turunen M., Brotons-Gisbert M., Dai Y. et al. (2022). Quantum photonics with layered 2D materials. Nature Reviews Physics. V. 4. No 4, pp. 219–236. https://doi.org/10.1038/s42254-021-00408-0Turunen M., Brotons-Gisbert M., Dai Y. et al. (2022). Quantum photonics with layered 2D materials. Nature Reviews Physics. V. 4. No 4, pp. 219–236. https://doi.org/10.1038/s42254-021-00408-0Shen P. C. (2017) Large-area CVD growth of two-dimensional transition metal dichalcogenides and monolayer MoS<sub>2</sub> and WS<sub>2</sub> metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. Ph.D. dissertation. Massachusetts Institute of Technology.Shen P. C. (2017) Large-area CVD growth of two-dimensional transition metal dichalcogenides and monolayer MoS2 and WS2 metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. Ph.D. dissertation. Massachusetts Institute of Technology.Wang X., Lu Y., Zhang J. et al. (2021). Highly sensitive artificial visual array using transistors based on porphyrins and semiconductors. Small. V. 17. No 2. P. 2005491. https://doi.org/10.1002/smll.202005491Wang X., Lu Y., Zhang J. et al. (2021). Highly sensitive artificial visual array using transistors based on porphyrins and semiconductors. Small. V. 17. No 2. P. 2005491. https://doi.org/10.1002/smll.202005491Neupane M. R., Ruzmetov D., Burke R. et al. (2018). Challenges and opportunities in integration of 2D materials on 3D substrates: materials and device perspectives. IEEE, p. 1–2 (76th device research conference). https://doi.org/10.1109/DRC.2018.8442141Neupane M.R., Ruzmetov D., Burke R. et al. (2018). Challenges and opportunities in integration of 2D materials on 3D substrates: materials and device perspectives. IEEE, p. 1–2 (76th device research conference). https://doi.org/10.1109/DRC.2018.8442141Tang Y., Li H., Mao X. et al. (2019). Bidirectional heterostructures consisting of graphene and lateral MoS 2/WS 2 composites: a first-principles study. RSC advances. V. 9. No 60, pp. 34986–34994.Tang Y., Li H., Mao X. et al. (2019). Bidirectional heterostructures consisting of graphene and lateral MoS 2/WS 2 composites: a first-principles study. RSC advances. V. 9. No 60, pp. 34986–34994.Новгородов, А. А. Электронные и оптические свойства латеральной гетероструктуры MoS2 /WS2 / А. А. Новгородов // Выпускная квалификационная работа. – Якутск, 2023. – С. 33.Novgorodov, А. А. (2023). Electronic and Optical Properties of the MoS2/WS2 Lateral Heterostructure. Diploma Thesis. North-Eastern Federal University. (in Russian)Rassay Sushant Shashikant Electrical, electronic and optical properties of MoSe2 and WSe2. (2017). New Jersey Institute of Technology, P. 68. Available from: https://digitalcommoms.njit.edu/theses/8. [Accessed XXXX]Rassay, Sushant Shashikant. (2017). Electrical, electronic and optical properties of MoSe2 and WSe2. New Jersey Institute of Technology, p. 68. Available from: https://digitalcommoms.njit.edu/theses/8. [Accessed XXXX]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.