Вычислительный центр ДВО РАН, Хабаровск, Россия

Чибисов А. Н., ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного компьютерного моделирования новых материалов, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: andreichibisov@yandex.ru
Булах С. С., младший научный сотрудник лаборатории многомасштабного компьютерного моделирования новых материалов, эл. почта: bulakh-svyatoslav@mail.ru

Индийский институт информационных технологий и управления, Гвалиор, Индия
Cривастава А., сотрудник группы передовых материалов CNT Lab, PhD, профессор

Проектирование наноэлектронных квантовых устройств, способных точно выполнять логические операции с малым числом ошибок и потребляющих мало электрической энергии, является важной фундаментальной задачей. Создание таких вычислителей позволит разработать квантовые датчики, чувствительные к обнаружению малых электрических и магнитных полей. В статье выполнено исследование атомной и электронной структуры двухмерных монослоев дисульфида молибдена MoS₂. Создание вакансии серы в монослоях MoS₂ приводит к наведению электронной дисторсии в атомной структуре, что является причиной изменения электронных и электрических свойств такого материала. Используя теоретические методы расчета, в рамках теории функционала плотности DFT и метода псевдопотенциалов выполнен анализ изменения в зонной структуре, изменения ширины запрещенной зоны и сдвига уровня Ферми, вызванных образованием дефекта в монослое дисульфида молибдена. Также рассмотрено влияние вакансии серы на изменение эффективной массы основных носителей заряда в системе (электронов и дырок) при образовании вакансии серы и без нее. Полученные результаты показывают, что вакансия серы вызывает значительные изменения в электронной структуре, в распределении зарядовой плотности и электростатического потенциала дисульфида молибдена. Анализ этих свойств позволит сделать выводы и выработать рекомендации потенциального применения MoS₂ при разработке новых квантовых материалов. Эти идеи имеют решающее значение для детального понимания дефектной инженерии в двумерных материалах, что имеет перспективное значение для их использования в электронных и квантовых устройствах следующего поколения.

Работа выполнена с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования «Высокопроизводительные вычисления и большие данные» (ЦКП «Информатика») ФИЦ ИУ РАН (Москва) и ЦКП «Центр данных ДВО РАН».

1. Логинов А. Б., Исмагилов Р. Р., Бокова-Сирош С. Н., Божьев И. В. и др. Формирование наноструктурированных пленок MoS₂, WS₂, MoO₂ и гетероструктур на их основе // Журнал технической физики. 2021. Т. 91, Вып. 10. С. 1509–1516.
2. Кривошеева А. В., Шапошников В. Л., Борисенко. В. Е. Влияние вакансионных дефектов и примесей на электронную структуру двумерных кристаллов MoS₂, MoSе₂, WS₂ И WSe₂ // Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2016. Т. 60, № 6. С. 48–53
3. Lee Yeonghun, Hu Yaoqiao, Lang Xiuyao, Kim Dongwook et al. Spin-defect qubits in two-dimensional transition metal dichalcogenides operating at telecomwavelengths // Nature Communications. 2022. Vol. 13. 7501.
4. Mathew T. N., Nair S., O'Dowd K., Forouzandeh K. et al. 2D MoS₂: structure, mechanisms and photocatalytic applications // Materials Today Sustainability. 2021. Vol. 13.
5. Старухин А. Н., Нельсон Д. К., Курдюков Д. А., Стовпяга Е. Ю. Поляризованная люминесценция наноточек MoS₂ // Физика твердого тела. 2021. T. 63, Вып. 12. С. 2192–2197.
6. Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 47. 558.
7. Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set // Comput. Mater. Sci. 1996. Vol. 6. Р. 15–50.
8. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. 11169.
9. Chibisov A. N., Chibisova M. A. Ab initio prediction of noncollinear magnetic states of the quantum phosphorus qubit in a silicon lattice // Journal of Physical Chemistry Letters. 2020. Vol. 11, Iss. 11. P. 4427–4429.
10. Chibisov A. N., Aleshin M. S., Chibisova M. A. DFT analysis of hole qubits spin state in germanium thin layer // Nanomaterials. 2022. Vol. 12, Iss. 13. 2244.
11. Momma K., Izumi F. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data // J. Appl. Crystallogr. 2011. Vol. 44. P. 1272–1276.
12. Chibisov A. N., Chibisova M. A., Prokhorenko A. V., Obrazcov K. V. et al. Possibilities of controlling the quantum states of hole qubits in an ultrathin germanium layer using a magnetic substrate: results from ab initio calculations // Nanomaterials. 2023. Vol. 13, Iss. 23. 3070.

13. Prokhorenko A. V., Chibisov A. N., Gnidenko A. A., Chibisova M. A. et al. Ab initio study of the influence of spin and orbital magnetic moments on the stability of magnetic and charge distribution in Co:ZnO monolayer // Journal of Physical Chemistry Letters. 2024. Vol. 15, Iss. 41. P. 10295–10300.
14. Schünfeld B., Huang J. J., Moss S. C. Anisotropic meansquare displacements (MSD) in Single crystals of 2H- and 3R-MoS2 // Acta Cryst. 1983. Vol. B39. P. 404–407.
15. Домашевская Э. П., Голощапов Д. Л., Дамбос А. Х., Руднев Е. В. и др. Особенности морфологии и оптических свойств наноструктур дисульфида молибдена от мономолекулярного слоя до фрактолообразной субструктуры // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53, Вып. 7. С. 940–946.
16. Ozaki Fumihiko, Tanaka Shunsuke, Choi YoungHyun, Osada Wataru et al. Hydrogen-induced sulfur vacancies on the MoS2 basal plane studied by ambient pressure XPS and DFT calculations // Chem. Phys. Chem. 2023. Vol. 24. P. e202300477.
17. Hötger A., Amit T., Klein J., Barthelmi K. et al. Spin-defect characteristics of single sulfur vacancies in monolayer MoS2 // npj 2D Materials and Applications. 2023. Vol. 7, Iss. 30. DOI: 10.1038/s41699-023-00392-2
18. Aliyar Thasneem, Ma Hongyang, Krishnan Radha, Singh Gagandeep et al. Symmetry breaking and spin-orbit coupling for individual vacancy-induced in-gap states in MoS2 monolayers // Nano Lett. 2024. Vol. 24. P. 2142–2148.