Magnetismo impulsado por defectos e ingeniería de deformación en monocapa de WSe2: un estudio DFT

Resumen

Usando teoría funcional densidad (DFT) primeros principios, investigamos cómo varios defectos vacantes y deformación biaxial tensil alteran propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas de monocapa diseleniuro tungsteno (WSe₂). La remoción de dos átomos tungsteno (V_W2) o un átomo tungsteno junto con sus seis átomos selenio vecinos (V_WSe6) induce momentos magnéticos 2 μ_B y 6 μ_B respectivamente, con configuración V_W2 volviéndose semimetálica. En contraste, vacantes monoatómicas (V_Se, V_W) y vacantes dobles selenio (V_Se-Se) preservan carácter semiconductor no magnético pero introducen estados impureza que estrechan banda prohibida. Deformación tensil hasta 7% afinaさらに banda prohibida y momentos magnéticos, permitiendo conversión defectos V_W no magnéticos en estados magnéticos hasta 4 μ_B. Estos hallazgos destacan ingeniería defectos y deformación como rutas poderosas realizar semiconductores magnéticos en WSe₂.

Introducción

Dicálcogenuros metales transición (TMD) monocapa como WSe₂ poseen banda prohibida directa (~1.6 eV) y alta movilidad portadores (~250 cm²/Vs), atractivos electrónica y optoelectrónica próxima generación. Sin embargo, WSe₂ prístino es intrínsecamente no magnético, limitando uso dispositivos basados espín. Defectos —particularmente vacantes— son ubicuos materiales 2D y pueden modificar profundamente estructura electrónica y comportamiento magnético. Estudios previos mostraron vacantes en grafeno, MoS₂, BaTiO₃ pueden inducir magnetismo. Ingeniería deformación otra herramienta poderosa; monocapa WSe₂ soporta >10% deformación, permitiendo modulación banda prohibida y magnética. Aquí exploramos sistemáticamente efectos combinados defectos vacantes y deformación biaxial tensil en monocapa WSe₂ usando cálculos DFT estado-arte.

Métodos Computacionales

Todos cálculos realizados con Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) usando funcional PBE y pseudopotenciales PAW. Corte onda plano 300 eV y malla k-puntos 3×3×1 para supercelda 5×5×1. Estructuras relajadas hasta fuerzas <0.02 eV/Å, convergencia energía total 10⁻⁴ eV. Deformación biaxial tensil (ε) definida ε = (c - c₀)/c₀ × 100%. Energías formación calculadas via E_form = E_defect - E_pristino + Σ n_i u_i, donde u_i potenciales químicos atómicos.

Resultados y Discusión

Monocapa WSe₂ prístina

Estructura 1H-WSe₂ relajada muestra longitudes enlace W-W y W-Se 3.31 Å y 2.54 Å, acuerdo experimento. Banda prohibida PBE 1.54 eV; HSE06 rinde 2.0 eV más preciso, confirmando naturaleza semiconductor banda directa.

Estados electrónicos y magnéticos inducidos vacantes

Examinamos siete configuraciones vacantes: monoatómicas (V_Se, V_W), biatómicas (V_Se-Se, V_Se2, V_W2), complejos mayores (V_WSe3, V_WSe6). Energías formación muestran vacantes Se simples más probables formarse, mientras defectos mayores requieren mayores energías.

Análisis estructura electrónica revela V_Se, V_Se-Se, V_W, V_WSe3 permanecen semiconductores no magnéticos pero con gaps reducidos (1.18 eV, 1.15 eV, 0.18 eV, 0.76 eV respectivamente). En contraste, V_W2 se vuelve semimetálico, exhibiendo gap minoritario 0.19 eV y momento neto 2 μ_B. V_WSe6 muestra comportamiento semiconductor magnético con momento 6 μ_B y gap estrecho.

Análisis densidad estados parcial (PDOS) atribuyen estados impureza orbitales d W y p Se cerca vacantes. Para V_W2, Se p_x domina borde conducción, mientras W d_{x²-y²} y d_{z²} moldean borde valencia.

Efecto deformación biaxial tensil

Aplicando 0–7% deformación biaxial WSe₂ prístina no induce magnetismo y reduce banda prohibida 0.5 eV a 7% deformación. Para sistemas defectuosos, deformación estrecha sistemáticamente gaps V_Se, V_Se-Se, V_WSe3 ~1.1 eV a 0.5 eV, 0.5 eV, 0.3 eV respectivamente. V_W, V_W2, V_WSe6 permanecen <0.2 eV gaps bajo deformación.

Crucialmente, deformación tensil transforma defecto V_W no magnético en estado magnético con momento 4 μ_B más allá 1% deformación, mientras V_W2 y V_WSe6 mantienen momentos magnéticos (6 μ_B hasta 6% deformación, disminuyendo 4 μ_B a 7%). Gráficos densidad espín confirman magnetismo origina átomos W y Se adyacentes.

Conclusión

Nuestro estudio DFT demuestra ingeniería vacantes, combinada con deformación biaxial tensil, puede transformar monocapa WSe₂ de semiconductor no magnético a semimetal magnético o semiconductor magnético. Vacantes Se y W simples reducen banda prohibida pero retienen no magnetismo; vacantes W dobles y complejo V_WSe6 introducen momentos magnéticos considerables (2 μ_B y 6 μ_B respectivamente). Deformación tensil afinaさらに ambos gaps electrónicos y momentos magnéticos, ofreciendo ruta práctica diseñar semiconductores magnéticos 2D para aplicaciones espin-trónica y valle-trónica.