Theory and Simulation of Materials 

Dr. Kapildeb Dolui

National University of Singapore

Possible doping strategies in monolayer MoS2

VB VB VB VBVB

CBCB

CB

CB

CB

1.90 eV[1] 1.87 eV

2.87 eV2.23 eV

1.80 eV 

Expt. LDA HSE06 scGW BSE

Effect of substrate Effect of doping

Absorption

Substitutional doping

Formation energies

SiO2 

MoS2 

Kapildeb Dolui et al. Phys. Rev. B 87, 165402 (2013); Phys. Rev. B 88, 075420 (2013); 

Exciton binding energy: 1.1 eV (mono­layer), 0.11 eV (bulk) [2]

[1] Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010); [2] Phys. Rev. B 86, 241201 (R) (2012)

Impurity at the surface of substrate can change the conductivity of a monolayer MoS2 Nb substitution and alkali­atom­abosortion are sutiable candidates as p­type and n­type dopant,respectively

Tunable electronic structure of 2D materials 

Effect of perpendicular electric field on few layer black phosphorus

Effect of transverse electric field on monolayer MoS2 nanoribbon

The  bandgap  of  MoS2 nanoribbon can be tuned by applying an external electric field.  Semiconductor  to metal  transition  occurs  at  a critical  field,  which decreases  with  the  size  of nanoribbon.

The  bandgap  of  few  layer  black phosphorus  can  be  tuned  by applying  an  external  electric  field. Semiconductor    to metal  transition occurs  at  a  critical  field,  which decreases  with  the  thickness  of black  phosphorus.  Interestingly, beyond  critical  field  the  system becomes  Dirac  semi­metal  due  to the anisotropic interaction bewteen the layers.

Kapildeb Dolui et al. ACS Nano 6, 4823 (2012); Scientific Reports 5, 11699 (2015) 

Dimensionality driven CDW phase in TiS2 Lattice instability Criteria:

     = electron­phonon couplingUq  = columb interactionVq  = exchnage interaction     = elctronic bare suceptibilityχq

gq

Charge Density Wave (CDW):

Phonon bandstructure

Electronic structure

we  observe  a  Kohn  anomaly  in  the bulk phonon dispersion.  In contrast, a monolayer  TiS2  exhibits  a  CDW instability  at  the  M  point  in  the Brillouin  zone,  resulting  in  the formation of 2×2 superstructure.

Atomic distortions

Kapildeb Dolui et al. arXiv preprint arXiv:1310.1866

bulk monolayer

Renormalization of molecular electronic levels 

Benzene

Quasi­particle (G0W0) HOMO­LUMO gap

Benzene@BN­Graphite

Benzene@BN

Benzene@Graphite

10.72 eV8.61 eV 

7.36eV  7.23eV 

The  DFT­LDA  gap  of  benzene  molecule almost  reamins  same  5.0  eV  for  all  the considered  inteface  caseses.  Our calculations  including  many  body  effects (with  in  the  G0W0  approximation)  show that  dynamical  polarization  effects renormalize  molecular  interface  states. The effect of polarization is to reduce the gap  between  occupied  and  unoccupied molecular  orbitals.  Interestingly,  2D semiconducting  spacer participate  largely in screening and can be used to tune the molecule's gap. 

Graphite | BN  | Benzene

Metal  | spacer  | molecule

Molecule absorbed in metal interface Benzene at 2D hetrostructure

Kapildeb Dolui et al. (manuscript in prepration)

Prediction of Dirac materials 

We explore a new idea for the formation of  bulk  Dirac  cones  and  Weyl  orbital semimetals  with­out  the  need  of  spin orbit  coupling  (SOC)  or  structural confinement. Weyl orbital semimetals can be  constructed  for  various  combinations of different orbitals, such as even and odd orbitals pair or bonding and antibonding states  or  pair  of  even  or  pair  of  odd orbitals  or  two  different  basis  of  same orbital, in variety of 3D lattice.

Inter­orbital hopping term:

Example:

Kapildeb Dolui et al. arXiv preprint arXiv:1412.2607

Transport in 2D materials 

Experiment @ Fundan University, China

Theory

Lead        |     Channel      | Lead

Magnetoregistance

Kapildeb Dolui et al. Phys. Rev. B 90, 041401(R) (2014); Nano Lett. 15, 5261(2015) 

Our  first­principles  transport calculations  are  performed using  the  SMEAGOL  code, which  integrates  the nonequilibrium  Green’s function  method  for  electron transport  with  density functional theory. 

We  have  dismostration  a  giant magnetoresistance  (MR)  effect  in Fe/MoS2/Fe  junctions.  This  a  first demostration of magnetoregistance in 2D  chalcogenides.  Our  prediction  of magenetoregistnace  is  confirmed  by the experimental measurements.

TT = transmission

(Fe)               (MoS2)          (Fe)