Το γραφένιο αποτελεί το πιο διάσημο δισδιάστατο υλικό, που συνδυάζει υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων και υψηλή αντοχή, ενώ παράλληλα έχει πολύ μικρό βάρος, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλο φάσμα εφαρμογών, όπως οι ηλεκτρονικές συσκευές. Ωστόσο, λόγω του ημι-μεταλλικού του χαρακτήρα και της έλλειψης ενεργειακού χάσματος, οι εφαρμογές του γραφενίου σε λειτουργικές συσκευές περιορίζονται οδηγώντας έτσι σε αναζήτηση νέων υποψήφιων υλικών.
Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον έχουν τραβήξει τα διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων με χημικό τύπο MX2, όπου με Μ είναι το μέταλλο και Χ το χαλκογόνο. Τέτοια υλικά περιλαμβάνουν τις ενώσεις Μο82, MoSe2, WS2 και WSe2 τα οποία στην δισδιάστατη μορφή είναι επίσης ημιαγωγοί, ενώ στην χαμηλότερη εμφανίζουν μεταλλικό χαρακτήρα γύρω από τα άκρα.
Παρά το γεγονός ότι η παρουσία μεταλλικών καταστάσεων στα άκρα των διχαλκογενιδίων μεταβατικών μετάλλων είναι καλά εδραιωμένη, δεν είναι ακόμη σαφές εάν οι καταστάσεις αυτές είναι παρούσες σε κάθε άκρη ή αν υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένο προσανατολισμό ή/και σε συγκεκριμένη διαμόρφωση των άκρων. Για παράδειγμα, η διαμόρφωση zig-zag της ακρής του Θειούχου Μολυδβενίου (MoS2) φαίνεται να είναι η πιο σταθερή και ήδη είναι σαφές από πειράματα και υπολογιστικές προσομοιώσεις ότι τα ακριανά άτομα Μολυβδενίου είναι πάντα προστατευμένα από άτομα Θείου.
Σε αυτή την εργασία μελετάμε τα παραπάνω υλικά και παρατηρούμε ότι όλα έχουν μεταλλικό χαρακτήρα στα άκρα τους, ανεξαρτήτως από τη σύνθεση του υλικού και τη στοιχειομετρία της άκρης. Πραγματοποιούμε υπολογισμούς πρώτων αρχών για τις ηλεκτρονικές τους ιδιότητες, όπως την πυκνότητα ενεργειακών καταστάσεων και τις κυματοσυναρτήσεις των μεταλλικών περιοχών, ενώ επίσης σχεδιάζουμε τις δομές ενεργειακών ζωνών και υπολογίζουμε την ενέργεια στην άκρη της κάθε δομής. Σε κάθε υλικό, προσθέτουμε αυξανόμενο αριθμό χαλκογενών ατόμων και συγκρίνουμε όλες τις ιδιότητες για τις 1D και 2D δομές, ως συνάρτηση του πλήθους των ατόμων. Επιβεβαιώνουμε τον ημιαγώγιμο χαρακτήρα των δισδιάστατων υλικών και περιμένουμε όλες οι δομές να παρουσιάζουν μεταλλικές άκρες, όπως στην περίπτωση του MoS2.
(EL)
Graphene is by far the most famous two - dimensional material, that combines high electron mobility and high strength with low weight, and can be used in a variety of complex processes, such as electronics [1]. However, the semi-metallic character of graphene and the lack of band gap may limit its applications in functional devices. Recently, more qualified candidates have emerged such as the transition metal dichalcogenides (TMDs)[2]of the type MX2, where M is a metal and X is chalcogen. Such materials include MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2 which are also semiconductors at the 2D structure[3]-[8]]. However, previous works on MoS2 have shown a presence of metallic character around the edges of 1D structures[[9]-
Although the presence of metallic edge states in TMDs is well-established, it is not yet clear if these states are present in every edge or if they exist only in particular orientation of edges and/or particular reconstruction of the edges. For example, the zig-zag Mo edge seems to be the most stable one for MoS2, and it is clear from both experiments and simulations [10] that edge Mo atoms are always shielded by S atoms. Here, we study such chalcogen-protected metal edges and we find that they all possess metallic states regardless of the type of material and edge stoichiometry.
In this research, we present theoretical calculations on transition metal dichalcogenide nanostructures. We study the electronic properties and we perform first-principles calculations for the total energy, the electron density of states, the band structures and the wavefunctions of these materials in the 2D plane and the 1D nanoribbon configurations. For each material, we reconstruct the upper edge by adding various numbers of extra atoms and we present a comparison of all properties between the 1D and 2D materials and as a function of the adatoms number. We confirm the semiconducting character of the 2D materials and for the 1D nanoribbons we expect that all other structures will have metallic edges similarly to the case of MoS2.
(EN)
