Quantumconfinement and Structural Anisotropy result in ElectricallyTunable Dirac Cone in Fewlayer Black Phosphorous

1. Theory and Simulation of Materials  Dr. Kapildeb Dolui National University of Singapore

2. Possible doping strategies in monolayer MoS2 2.87 eV CB 2.23 eV Exciton binding energy: 1.1 eV  (mono­ layer), 0.11 eV (bulk) [2] 1.90 eV[1] CB 1.87 eV 1.80 eV  CB CB CB [1] Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010);  [2] Phys. Rev. B 86, 241201 (R) (2012) VB VB LDA VB VB scGW VB Expt. HSE06 BSE Effect of substrate Effect of doping Formation energies MoS2  SiO2  Substitutional doping Absorption  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 Kapildeb Dolui et al. Phys. Rev. B 87, 165402 (2013); Phys. Rev. B 88, 075420 (2013); 

3. Tunable electronic structure of 2D materials  Effect of transverse electric field on monolayer MoS2 nanoribbon The  nanoribbon can be tuned by  applying an external electric  field.  Semiconductor  metal transition occurs at a  critical  field,  decreases  with  the  size  of  nanoribbon. bandgap  of  MoS2  to  which  Effect of perpendicular electric field on few layer black phosphorus 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) 

4. Dimensionality driven CDW phase in TiS2  Phonon bandstructure Lattice instability Criteria: gq      = electron­phonon coupling Uq  = columb interaction Vq  = exchnage interaction      = elctronic bare suceptibility χq monolayer bulk Charge Density Wave (CDW): Electronic structure Atomic distortions 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  formation of 2×2 superstructure. in  the  Kapildeb Dolui et al. arXiv preprint arXiv:1310.1866

5. Renormalization of molecular electronic levels  Molecule absorbed in metal interface Benzene at 2D hetrostructure Metal  | spacer  | molecule Graphite | BN  | Benzene The  DFT­LDA  gap  of  benzene  molecule  almost  reamins  same  5.0  eV  for  all  the  considered  inteface  calculations including many body effects  (with  in  the  G0W0  approximation)  show  that  dynamical  polarization  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.  Quasi­particle (G0W0) HOMO­LUMO gap caseses.  Our  10.72 eV 8.61 eV  7.36eV  effects  7.23eV  Benzene@ BN Benzene Benzene@ BN­Graphite Benzene@ Graphite Kapildeb Dolui et al. (manuscript in prepration)

6. Prediction of Dirac materials  Example: Inter­orbital hopping term: 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. Kapildeb Dolui et al. arXiv preprint arXiv:1412.2607

7. Transport in 2D materials  Theory Our  first­principles  transport  calculations  are  performed  using  the  SMEAGOL  code,  which  integrates  nonequilibrium  function method for electron  transport  with  functional theory.  Magnetoregistance the  Green’s  density  Lead        |     Channel      | Lead (Fe)               (MoS2)          (Fe) Experiment @ Fundan University, China T T = transmission 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. Kapildeb Dolui et al. Phys. Rev. B 90, 041401(R) (2014); Nano Lett. 15, 5261(2015)