文献赏析｜WTe2的声子谱和电子结构：第一性原理计算

徐中辉^a、罗兵^a、萧卓彬^b，陈妍^a，黄劲松^a，李艳玲^a，孙迟^a，陈铜^c，曼苏尔*^b

a  中国 赣州 341000 江西理工大学 信息工程学院

b  新加坡    117576  新加坡国立大学电气与计算机工程学院

c 中国 南昌 330013  江西理工大学 能源与机械工程学院

01 引言

外尔半金属是一种新型的拓扑非平凡相，为物理和材料研究领域提供了令人兴奋的前沿领域。受到对石墨烯的广泛研究的启发，人们对进一步研究由过渡金属二硫属化物（TMDC）组成的二维类石墨烯结构的兴趣越来越大，其中一些是外尔半金属。大多数这些结构具有可调节的带隙，其性能与石墨烯相当，甚至优于石墨烯。WTe₂是首次预测的II型外尔半金属材料，已经有一些关于研究WTe₂的电子结构和相位的转变，例如施加压力[Phys. Rev. B 94 (2016) 224512.]，掺杂[Phys. Status Solidi RRL 11 (2017) 1700209.]和温度变化[Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 057202.]等，受到这些理论与实验结果的启发，我们计算了不同种类的掺杂对WTe₂电子结构及相位的影响。

02 成果简介

通过基于密度泛函理论和非平衡格林函数相结合(NEGF-DFT)的第一性原理计算软件Nanodcal计算了本征和掺杂 WTe₂ 的电子结构。计算了WTe₂的声子色散和声子态密度。发现所有声子模式都具有正值，并且光学声子分支具有高特征值，这表明WTe₂的结构是热力学稳定的。在声子能量从 0 到 10 meV 的范围内，声分支和光分支重叠，因此它们之间没有间隙。声学分支和光学分支对WTe₂的热输特性有重要影响。我们接下来分析了本征和掺杂WTe₂ 的电子能带结构。结果表明，在与 Te 相同的元素组中掺杂其他硫属元素可减小能带隙，但使整体能带结构相对不变。然而，掺杂其他族的元素，如 C 和 H，极大地改变了电子能带结构，尤其是在费米能级附近的电子结构。实际上，掺杂这些元素可以引起 WTe₂ 发生相位的转变。

03 图文导读

图 1 本征和掺杂 WTe₂ 的原子结构以及第一布里渊区的高对称点。（a）本征和（b）掺杂单层WTe₂的俯视图。俯视图的二维结构与二硫化钼和石墨烯的结构非常相似。(c) 单层WTe₂的侧视图，显示夹层结构。(d) 单层 WTe₂的三维视图。(e) 第一布里渊区的高对称点。

图 2. 50 × 50 × 1的超胞的WTe₂的声子谱。(a) WTe₂ 的声子能带结构。(b) WTe₂中的声子态密度。

图 3 本征WTe₂ 的电子能带结构。(a)直接带隙为 0.75 eV的能带结构。(b)总态密度。(c) 投影态密度。

图 4. 掺杂C的WTe₂的电子能带结构。(a)能带结构。(b)总态密度。(c) 投影态密度。

图 5. 掺杂 H 的WTe₂的电子能带结构。(a)能带结构。(b)总态密度。(c) 投影态密度。

图 6WTe₂掺杂S的电子能带结构。(a)带隙为 0.6 eV的能带结构。(b)总态密度。(c)投影态密度。

图 7. 掺杂Se的WTe₂的电子结构。(a) 带隙为 0.52 eV的带结构。(b)总态密度。(c)投影态密度。

04 小结

通过第一性原理计算得到WTe₂的电子能带结构。主要得出了三个结论：

第一：从 0 meV 到 10 meV能量范围内声学和光学之间没有带隙。带隙的缺乏导致声子和光子之间的相互作用增加。这可能对WTe₂ 的热传输特性具有重要意义，并为基于 WTe2 的器件的性能和热管理提供指导。

第二：发现属于与 Te 同族的元素S和Se掺杂会导致带隙值明显减小，分别从 0.75 eV（本征带隙）到 0.6 eV 和 0.52eV。然而，整体的电子能带结构是没有显著影响。

第三：与第二个结论相反，发现 C 和 H 的掺杂使费米能级上的能带发生位移，并导致导带相对较宽。在 H 掺杂的特定情况下，在能隙区域中存在显著的 DOS。这可能表明 WTe2 从半导体相转变为金属相，这可以通过实验研究进一步证实，例如温度相关电阻率的测量。

文献说明

文献信息：Phonon spectrum and electronic structures of WTe2: A first-principles calculation, Physics Letters A 389 (2021) 127081.

1.DOI: 10.1016/j.physleta.2020.127081

https://doi.org/10.1016/j.physleta.2020.127081

2. 文献作者：Zhonghui Xu, Bing Luo, Zhuo Bin Siu, Yan Chen, Jinsong Huang, Yanling Li, Chi Sun, Tong Chen, Mansoor B.A. Jalil.

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