첫 번째

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11437(2022) 이 기사 인용

833 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

대체 홀뮴 불순물(Ho\(_{\text{W}}\))이 있는 상태에서 단일층(SL) 이황화텅스텐(WS\(_2\))의 전자 및 광학 특성을 연구합니다. Ho가 W보다 훨씬 크더라도 스핀-궤도 결합을 포함한 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 Ho:SL WS\(_2\)가 안정적임을 보여줍니다. 스핀 의존형 DFT를 사용하여 Ho 불순물의 자기 모멘트는 4.75\(\mu _B\)인 것으로 확인되었습니다. 광학 스펙트럼에서 확인된 광학 선택 규칙은 그룹 이론을 통해 도출된 광학 선택 규칙과 정확히 일치합니다. 중성 Ho\(_W\) 불순물이 존재하면 밴드 구조에서 f-궤도 특성을 갖는 국부적인 불순물 상태(LIS)가 발생합니다. Kubo-Greenwood 공식과 Kohn-Sham 궤도를 사용하여 감수성 텐서 Im\(\chi _{\parallel }\) 및 Im\의 평면 내 및 평면 외부 구성요소에서 원자와 같은 날카로운 전이를 얻습니다. (\chi _{\perp }\). 광학 공명은 실험 데이터와 잘 일치합니다.

단일층(SL) 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 많은 유망한 응용을 가능하게 하는 특별한 전자 및 광학 특성으로 인해 매우 매력적인 재료입니다. SL TMD는 직접 밴드 갭3,4을 갖는 반도체이므로 트랜지스터 및 광전자 장치를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 밴드갭이 가시 영역에 있기 때문에 광검출기와 태양전지를 개발할 수 있습니다. 성장 과정은 일반적으로 SL TMD에 결함과 불순물을 도입하여 전자, 광학 및 자기 특성5,6,7에 심각한 영향을 미칩니다.

지난 몇 년 동안 우리는 TMD8,9,10의 공극 결함의 전자적 및 광학적 특성을 설명하기 위해 밀도 함수 이론(DFT), 밀착 모델 및 2D Dirac 방정식을 기반으로 한 이론적 모델을 개발했습니다. 기계적 박리(ME), 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD)과 같은 다양한 성장 프로세스 중에 발생합니다. 우리 논문의 중심 결과는 그룹 이론을 사용하여 광학 전이에 대한 엄격한 선택 규칙을 도출할 수 있다는 것입니다. 이는 Kohn-Sham 궤도를 사용하는 Kubo-Greenwood 공식을 통해 계산된 민감도와 매우 일치합니다.

Ref.10의 최근 논문에서 우리는 DFT 계산을 수행하고 대체 Er\(_{\text{W}}\) 원자가 있는 상태에서 SL WS\(_2\)의 광학 스펙트럼을 얻었습니다. 스핀-궤도 결합(SOC) 효과를 포함하지는 않았지만 CVD 성장11 및 웨이퍼 규모 적층 Yb/를 사용하여 Er 도핑된 MoS\(_2\) 박막에 대한 Bai 등의 실험과 좋은 일치를 얻었습니다. Er 공동 도핑된 WSe\(_2\)12. López-Morales et al.13에서도 비슷한 결과가 발견되었습니다. 우리의 동기 중 하나는 Er의 LIS 중 일부가 SL WS\(_2\)의 밴드 갭 내에 있는지 알아내는 것이었습니다. 우리는 이것이 사실이라는 것을 보여줄 수 있었습니다. 우리가 동기를 부여받은 이유는 반도체 밴드갭 내부의 LIS가 잠재적으로 양자 정보 처리를 위한 큐비트 또는 큐디트로 사용될 수 있기 때문입니다. 놀랍게도, 희토류 원자(REA)를 포함하는 TMD는 주변 d 껍질에 의해 채워지지 않은 4f 껍질에서 전자를 강력하게 분리하는 독특한 특성을 나타냅니다. 이 특성은 일반적으로 높은 양자 수율, 광학 전이를 위한 원자와 같은 좁은 대역폭, 긴 수명, 긴 결맞음 시간, 높은 광안정성 및 큰 스톡스 이동으로 이어집니다. 4f 전자의 이러한 강력한 분리로 인해 자유 원자에서 전자처럼 행동하게 됩니다. 따라서 YAG(이트륨 알루미늄 가닛)의 Ce\(^{3+}\) 불순물이 \(T_2=2\) ms14의 긴 응집 시간에 도달할 수 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 호스트 물질로서 YAG를 텅스텐 칼슘 CaWO\(_4\)로 대체함으로써 Y의 상자성 불순물을 방지하고 동위원소 정제 없이 핵 스핀 농도를 실질적으로 감소시킬 수 있습니다. 결과적으로, Hahn 에코 실험은 CaWO\(_4\)15의 Er\(^{3+}\) 불순물에 대해 \(T_2=23\) ms의 긴 스핀 일관성 시간을 달성할 수 있습니다. 따라서 농도가 낮거나 심지어 상자성 불순물과 핵 스핀이 없는 REA용 호스트 물질을 식별하는 것이 유리합니다. 우리는 여기서 TMD가 그러한 호스트 물질에 대한 좋은 후보라고 주장합니다.