 |
Tuning the properties of two-dimensional materials by atomic scale structural defects
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
130413 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Vancsó, Péter |
| Title in Hungarian |
Kétdimenziós anyagok tulajdonságainak célzott módosítása atomi skálájú szerkezeti hibákkal |
| Title in English |
Tuning the properties of two-dimensional materials by atomic scale structural defects |
| Keywords in Hungarian |
kétdimenziós anyagok, hibák, elektronszerkezet (DFT, TB), pásztázó alagútmikroszkópia, alagútspektroszkópia |
| Keywords in English |
two-dimensional materials, defects, electronic structure (DFT, TB), scanning tunneling microscopy, scanning tunneling spectroscopy |
| Discipline |
| Solid-state Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Solid state physics |
|
| Panel |
Physics |
| Department or equivalent |
Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research) |
| Participants |
Dobrik, Gergely
Márk, Géza István
Nemes-Incze, Péter
Pető, János
Süle, Péter
Szendrő, Márton
Tapasztó, Levente
|
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
18.480 |
| FTE (full time equivalent) |
6.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kétdimenziós (2D) anyagok mind az anyagtudomány mind a szilárdtestfizika érdeklődésének középpontjában állnak. A grafén felfedezését követően a 2D anyagok családja újabb tagokkal bővült, mint például a hexagonális bór-nitrid vagy az egyrétegű átmenetifém-dikalkogenidek (TMD). Ahogyan korábban a grafén esetében világossá vált, a szerkezetben lévő hibák jelentős mértékben befolyásolhatják a 2D anyagok elektromos, mágneses és optikai tulajdonságait, ezáltal meghatározva az alkalmazási lehetőségeket. A pályázat alapjául szolgáló közleményben a vezető kutató és munkatársai elsőként azonosították MoS2 esetében, pásztázó alagútmikroszkóp (STM) segítségével, az egyedi kén atom vakanciák hibaállapotait a tiltott sávban. Ezek elektromos szempontból lehetnek semlegesek és töltöttek, és ezek a felelősek az anyag elektromos tulajdonságainak módosításáért. Jelen pályázat célja, hogy további 2D anyagokban vizsgáljuk meg az atomi léptékű hibáknak a tulajdonságokra gyakorolt hatásait, továbbá, hogy feltérképezzük ezeknek a hibáknak a lehetséges gyakorlati alkalmazásait. Ennek eléréséhez elektronszerkezeti és transzport számolásokat tervezünk végezni különböző 2D anyagokban jelenlévő hibákon, amely számolásokat STM és alagútspektroszkópiai (STS) mérési eredményekkel hasonlítunk össze. Az első elveken és félempirikus módszereken alapuló számolások segítségével lehetőség adódik a kétdimenziós anyagok hibák által módosított tulajdonságainak nagyobb méretskálán történő vizsgálatára, továbbá arra, hogy kísérleti mérések során olyan hibákra fókuszáljunk, amelyek az elméleti előrejelzés szerint különösen hatékonyak lehetnek az anyag tulajdonságainak hangolása szempontjából.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Jelen kutatás legfőbb célja, hogy elektronszerkezeti számolások és STM/STS mérések kombinációjának segítségével meghatározzuk, milyen kapcsolat áll fenn a hibák atomi szerkezete és az anyag megváltozott tulajdonságai között. Mivel az STM mérések során a minta atomi és elektron szerkezetének hatása mindig keveredve jelenik meg, az elméleti számolások nélkülözhetetlenek a módosult elektromos tulajdonságok értelmezéséhez. Kutatásunk során különböző 2D anyagokban előforduló nulladimenziós ponthibákat és egydimenziós vonalhibákat fogunk vizsgálni. Mivel ezen hibák sűrűsége a minta kémia gőzfázisú (CVD) növesztése során, illetve később különböző eljárások, mint az ion besugárzás vagy a lokális pásztázó szondás módszerek alkalmazása révén hangolható, lehetőség nyílik az anyag tulajdonságainak célzott módosítására. Jelen kutatás során többek között elméleti és kísérleti módszerekkel fogjuk vizsgálni a MoSe2 és WSe2 anyagokban előforduló ponthibákat. Ezek a hibák érdekes mágneses és optikai tulajdonságokkal rendelkezhetnek a tiltott sávban megjelenő hibaállapotoknak köszönhetően. Vonalhibák esetében, MoS2 és MoSe2 anyagokban lévő éleknek és szemcsehatároknak a vezetési tulajdonságokra gyakorolt hatását fogjuk tanulmányozni elméleti transzport számolások segítségével. Az egyedi hibák tulajdonságainak vizsgálata mellett azt is elemezni kívánjuk, hogy az egyedi hibák közötti kölcsönhatások hogyan befolyásolják az anyag tulajdonságait Ennek megválaszolása a gyakorlati felhasználás szempontjából is döntő jelentőséggel bír, mivel az eszközökben előforduló anyagok mérete a pár tíz nanométeres méretskálától a mikrométerig terjedhet, ezáltal nagy számban tartalmazva különböző hibákat.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A nanotechnológia egyik legfőbb célkitűzése az anyag tulajdonságainak atomi skálán történő vizsgálata és módosítása. Az elmúlt évek során számos új 2D anyagot állítottak elő, amelyek a többi anyagokhoz hasonlóan szerkezeti hibákat is tartalmaznak. Ezek a hibák jelentősen befolyásolják az anyag tulajdonságait, ugyanakkor lehetőséget nyújtanak arra, hogy különböző alkalmazások érdekében célzottan módosítsuk ezeket a tulajdonságokat. A pályázat alapjául szolgáló közleményben a vezető kutató és munkatársai megmutatták, hogy MoS2-ban lévő kén vakanciák jelentősen megváltoztatják az anyag elektromos tulajdonságait, amely továbbá új lehetőségeket nyithat az optikai és a katalitikus alkalmazások terén is. A jelen pályázatban javasolt elméleti és kísérleti munka során alkalom nyílik arra, hogy a különböző 2D anyagok hibáinak az anyag tulajdonságaira gyakorolt hatását részletesen megértsük és ezáltal hasznos információt adjunk a hiba-mérnökség hatékonyságára a különböző gyakorlati alkalmazások esetében. A vezető kutató széles körű tapasztalattal rendelkezik a hibákat is tartalmazó 2D anyagok elektronszerkezeti számolása területén, beleértve az STM mérések értelmezését. Ami a kísérleti oldalt illeti, az MTA EK Nanoszerkezetek Laboratóriuma elsőként térképezte fel a ponthibák atomi és elektronszerkezetét MoS2 esetében, ami előnyt jelent a további 2D anyagokban előforduló hibák kísérleti vizsgálata szempontjából. Meggyőződésünk, hogy az elméleti és kísérleti eredmények együttes alkalmazása elősegítheti a hibák okozta jelenségek mélyebb megértését, új távlatokat nyitva a 2D anyagok gyakorlati felhasználásában.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A fizikai Nobel-díjat 2010-ben az első kétdimenziós anyag, a grafén felfedezéséért ítélték oda. Ez a szénatomokból álló, egyetlen atomi vastagságú anyag az elmúlt évtizedben számos műszaki fejlesztésben kapott szerepet, mint például a hajlékony érintő képernyő, a világító dióda (LED), fotódetektorok és az ultragyors lézerek. A kutatók megmutatták továbbá, hogy a grafénban létrehozott szerkezeti hibákkal sikeresen lehet módosítani az anyag elektromos, mágneses, katalitikus és egyéb tulajdonságait, kiszélesítve ezáltal a grafén lehetséges alkalmazási lehetőségeit. A grafén felfedezése óta több száz kétdimenziós anyagot állítottak elő, köztük az egyrétegű átmenetifém-dikalkogenideket (TMD), melyek általában félvezető tulajdonságokkal rendelkeznek, ezáltal ígéretes jelöltek lehetnek a nanoelektronikai alkalmazások szempontjából. Jelen kutatás során azt tervezzük vizsgálni elméleti és kísérleti módszerek segítségével, hogy az különböző 2D TMD anyagok hibáit milyen módon használhatjuk fel az anyag elektromos, mágneses és optikai tulajdonságainak tervezett módosításában és ezek milyen új alkalmazási lehetőségeket nyithatnak meg.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Two-dimensional (2D) crystals are in the spotlight of both materials science and solid state physics. Graphene entered the scene first, followed by monolayers of hexagonal boron nitride and single layers of transition metal dichalcogenides (TMDs). As already demonstrated for graphene, an important issue in 2D materials is the presence of defects, which can significantly influence their electronic, magnetic, or optical properties, with a direct impact on applications. In the relevant paper of this project, the PI and his co-workers revealed for the first time the impact of sulfur vacancies on the electronic structure of single-layer MoS2 by Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements. We were able to identify the characteristic neutral and charged electronic defect states responsible for the modification of the electronic properties. The main purpose of this project is to investigate the effect of the atomic scale structural defects on the properties of 2D materials, in order to reveal the possibilities for tuning these properties for specific applications. To achieve this goal electronic structure and transport calculations combined with atomic resolution STM and tunneling spectroscopy (STS) measurements will be performed on several types of defects. The theoretical calculations based on ab initio and semi-empirical techniques will be used to predict the impact of various defects on material properties and to guide the experimental efforts towards investigating materials and defects, which are particularly efficient for tuning the materials properties.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the present project we will investigate the relation between the precise atomic geometries and properties of the defects by using electronic structure calculations and STM/STS measurements. Because the influence of the geometry and the locally perturbed electronic structure is always mixed in STM images, detailed calculations are necessary to understand properly the modified electronic properties. We will investigate zero-dimensional (0D) point defects and one-dimensional (1D) line defects in various 2D materials. The concentration of these types of defects can be tuned during the growth of the sample by chemical vapor deposition (CVD) and also later by post-synthesis techniques, such as ion irradiation or the controlled local modification by scanning probe techniques (STM/AFM). This opens up the possibility to engineer the material properties. In particular, we will study theoretically and experimentally point defects in MoSe2 and WSe2, which are expected to substantially influence the magnetic and optical properties due to the emerging electronic defect states. In the case of line defects, MoS2 and MoSe2 grain boundaries (GB) and edges will be investigated, which play an important role in the transport properties. For this reason we will perform detailed transport calculations on the GBs. Besides the properties of the individual defects we will investigate how these properties change due to interaction effects between the defects. This question is highly relevant also from the applications point of view, because the size of realistic device samples can extend from few tens of nanometers up to several microns containing a large amount and density of defects.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Engineering the material properties on the atomic scale is one of the major goals in nanotechnology. In the last couple of years, a large number of 2D materials have been synthesized. As any other material, two dimensional crystals are also not free from defects that can significantly affect their properties. However, these defects also open the possibility to tune the material properties in a desired way. In the relevant paper of the project, the PI and his co-workers show that the observed sulfur vacancies modified the electronic properties of 2D MoS2 crystals, which can be useful for optical and catalytic applications. In this project the proposed theoretical and experimental investigation of defects of various 2D materials will allow us to reveal the effects of the atomic scale structural defects on materials properties and provide useful information on how efficiently these defects can be used in engineering the materials properties for specific applications. The principle investigator (PI) has a wide-ranging experience in the electronic structure calculations of 2D materials including their defects and the interpretation of their STM measurements. For the experimental part, the Nanostructures Laboratory of the MTA EK MFA was the first to fully resolve the atomic and electronic structure of point defects in 2D MoS2 crystals by STM, giving us the necessary competitive edge in revealing the defect structure of 2D TMD materials. The synergy of the theory and experiment will constitute a powerful toolkit to gain deep physical insight into the influence of defects, which have a key importance in designing future applications based on 2D materials.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
New materials often generate entirely new opportunities for applications. In 2010, the Nobel Prize in Physics was awarded for the discovery of the first two dimensional material, the graphene, which consists of a single layer of carbon atoms. Within a decade graphene has made it possible to offer improved performance for light emitting diodes (LEDs), flexible touch screens, photodetectors and ultrafast lasers. It was also shown that the atomic scale defects can tune the electronic, magnetic, catalytic and many other properties of graphene further broadening its application potential. After the discovery of graphene, hundreds of new two dimensional materials have also been synthesized. For instance, the family of transition metal dichalcogenides (TMDs), which are typically semiconductors, in contrast to the semimetal graphene. This makes them good candidate for novel electronic applications. In this project we propose to study by various theoretical and experimental techniques how structural defects of these materials can be used to engineer their properties for the needs of specific electronic, magnetic or optical applications.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Antal A. Koós, Péter Vancsó, Márton Szendrő, Gergely Dobrik, David Antognini Silva, Zakhar I. Popov, Pavel B. Sorokin, Luc Henrard, Chanyong Hwang, László P. Biró, Levente Tapasztó: Influence of Native Defects on the Electronic and Magnetic Properties of CVD Grown MoSe2 Single Layers, Journal of Physical Chemistry C 123, 24855−24864, 2019 | | G.I. Márk, L. P. Biró: Wave packet dynamical simulation of defects in 2D materials, The Huygens principle and the band structure, Modelling Nanostructures Symposium, 31 January - 1 February, 2019, Namur, Belgium (poster), 2019 | | Péter Vancsó, Imre Hagymási, Pauline Castenetto, Philippe Lambin: Stability of edge magnetism against disorder in zigzag MoS2 nanoribbons, Physical Review Materials 3, 094003, 2019 | | Péter Vancsó, Zakhar I. Popov, János Pető, Tamás Ollár, Gergely Dobrik, József S. Pap, Chanyong Hwang, Pavel B. Sorokin, Levente Tapasztó: Transition Metal Chalcogenide Single Layers as an Active Platform for Single-Atom Catalysis, ACS Energy Letters 4, 1947−1953, 2019 | | Antal A. Koós, Péter Vancsó, Márton Szendrő, Gergely Dobrik, David Antognini Silva, Zakhar I. Popov, Pavel B. Sorokin, Luc Henrard, Chanyong Hwang, László P. Biró, Levente Tapasztó: Influence of Native Defects on the Electronic and Magnetic Properties of CVD Grown MoSe2 Single Layers, Journal of Physical Chemistry C 123, 24855−24864, 2019 | | János Pető, Gergely Dobrik, Gergő Kukucska, Péter Vancsó, Antal A. Koós, János Koltai, Péter Nemes-Incze, Chanyong Hwang, Levente Tapasztó: Moderate strain induced indirect bandgap and conduction electrons in MoS2 single layers, npj 2D Materials and Applications 3, 39, 2019 | | Péter Vancsó, Zakhar I. Popov, János Pető, Tamás Ollár, Gergely Dobrik, József S. Pap, Chanyong Hwang, Pavel B. Sorokin, Levente Tapasztó: Transition Metal Chalcogenide Single Layers as an Active Platform for Single-Atom Catalysis, ACS Energy Letters 4, 1947−1953, 2019 | | Péter Vancsó, Imre Hagymási, Pauline Castenetto, Philippe Lambin: Stability of edge magnetism against disorder in zigzag MoS2 nanoribbons, Physical Review Materials 3, 094003, 2019 | | János Pető, Gergely Dobrik, Gergő Kukucska, Péter Vancsó, Antal A. Koós, János Koltai, Péter Nemes-Incze, Chanyong Hwang, Levente Tapasztó: Moderate strain induced indirect bandgap and conduction electrons in MoS2 single layers, npj 2D Materials and Applications 3, 39, 2019 | | B. Majerus, P. Vancsó, L. Tapasztó, L. Henrard: Plasmons in nanostructured and corrugated 2D materials, Francqui Symposium: Computational and Theoretical Condensed Matter Physics, December 17-18, 2019, Namur, Belgium, 2019 | | K. Kandrai, P. Vancsó, G. Kukucska, J. Koltai, G. Baranka, Á. Hoffmann, Á. Pekker, K. Kamarás, Zs. E. Horváth, A. Vymazalová, L. Tapasztó, P. Nemes-Incze: Signature of Large-Gap Quantum Spin Hall State in the Layered Mineral Jacutingaite, Nano Letters 20, 5207-5213, 2020 | | V. A. Demin, D. G. Kvashnin, P. Vancsó, G. I. Márk, and L. A. Chernozatonskii: Wave-Packet Dynamics Study of the Transport Characteristics of Perforated Bilayer Graphene Nanoribbons, JETP Letters 112, 305-309, 2020 | | P. Vancsó: Defect Engineering of Two‐Dimensional Molybdenum Disulfide, IV International Symposium "Modern Materials Science" (MMS-2020), 17 November 2020, IBCP RAS. (invited talk), 2020 | | G. I. Márk, P. Vancsó: Ab-initio wave packet dynamical simulation of defects in 2D materials, 1st International Electronic Conference on Applied Sciences session Nanotechnology and Applied Nanosciences, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
