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공실이 있는 결함 있는 단층 WSe2의 전자적 및 자기적 특성

초록

밀도함수이론에 기초한 제1원리법을 채택하여 결함이 있는 단층 WSe2의 구조적, 전자적, 자기적 특성을 연구하였다. 결손된 구성에 대한 외부 변형의 영향과 공석이 있습니다. 우리의 계산은 두 개의 W 원자 공석(VW2 ) 및 하나의 W 원자와 그 근처에 있는 세 쌍의 Se 원자 공석(VWSe6 ) 둘 다 단층 WSe2로 자성을 유도합니다. 자기 모멘트가 2 및 6 μB인 경우 , 각각. 자기 모멘트는 주로 공석 주변의 원자에 의해 발생합니다. 특히, 단층 WSe2 VW2 포함 반금속이다. 또한 하나의 Se와 하나의 W 원자 공석(VSe , VW ), 두 개의 Se 원자 공석(VSe-Se ), W 원자 1개와 같은 층 공석에 있는 Se 원자 3개(VWSe3 ) 도핑된 단층 WSe2 비자성 반도체로 남아 있습니다. 그러나 공석 주변의 W d 및 Se p 궤도에서 기인하는 불순한 전자 상태는 페르미 준위 주변에 위치하여 에너지 갭을 좁힙니다. 한편, 우리의 계산에 따르면 0~7%의 인장 변형률은 결함이 있는 단층 WSe2의 전자적 특성을 조작할 뿐만 아니라 에너지 갭을 좁혀 공석을 가질 뿐만 아니라 VW의 자기 모멘트도 제어합니다. -, VW2 - 및 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 .

소개

갭이 없는 그래핀[1, 2]과 달리 밴드갭이 1~2 eV[3,4,5,6]인 반도체 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 단분자막은 고유한 화학적, 광학적, 전자적 특성 [3,4,5,6,7,8,9]. 특히, 단층 WSe2 ~ 1.6 eV[4, 10,11,12]의 직접 밴드 갭을 갖는 반도체입니다. 또한 캐리어 이동성은 약 250 cm 2 입니다. /V 및 켜짐/꺼짐 비율이 10보다 높음 6 실온에서 [13]. 더 중요한 것은 단층 WSe2 는 높은 일함수 금속(Pd)이 접점인 p형 전도성 거동을 보여주는 최초의 TMD입니다[13]. 이러한 새로운 특성으로 인해 단층 WSe2 미래 전자 및 광전자 공학에서 유망한 후보로 널리 연구되었습니다 [4, 6, 13, 14, 15, 16]. 그러나 단층 WSe2 자기와 관련된 다른 많은 분야에서의 적용을 제한하는 비자성입니다.

선행 연구[17,18,19,20,21,22,23,24,25]에 따르면 구조적 결함은 기계적, 전자적, 자기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 점결함 및 공석결함은 그래핀에 자성을 도입[19, 20], MoS2 단층 및 BaTiO3 (001) 박막 [21,22,23], 각각. Wu et al. 단층 WSe2에서 장치 전송 성능에 대한 결함의 영향을 연구했습니다. ab initio 계산을 수행하여 TFST(전계 효과 트랜지스터)를 터널링합니다. 이는 고성능 TFET를 얻기 위해 결함을 잘 설계할 수 있음을 나타냅니다[25]. 한편, as-grown 2D 재료에서는 성장 과정의 불완전성으로 인해 구조적 결함이 발견되었다[19, 20, 26, 27, 28]. 예를 들어 점 결함과 같은 본질적인 구조적 결함은 성장한 단층 WSe2에서 눈에 띄게 나타납니다. [26].

실제로 전자빔[29], 이온빔[30] 및 고에너지 레이저의 고에너지 입자에 의한 조사, 화학적 에칭[31, 32]을 포함한 구조 공학 방법은 2D 재료의 결함을 유도하는 효과적인 기술이며 원자 구조를 수정하는 데 사용됩니다. 따라서 단층 WSe2의 특성에 대한 공극과 같은 구조적 결함의 영향을 연구하는 것은 중요할 뿐만 아니라 현실적입니다. , 새로운 기능을 제공할 수 있습니다. 또한 2D 재료는 파열되기 전에 큰 변형을 견딜 수 있으며 단층 MoS2에서 입증된 바와 같이 강력한 소성 변형 능력으로 인해 고유한 한계인 10% 이상으로 늘어납니다. [33, 34]. 따라서 변형 공학은 2D 재료의 특성을 조정하고 관련 응용 분야에서 관련 성능을 향상시키기 위해 널리 사용되었습니다[11, 17, 33,34,35,36,37,38,39]. Yang et al.의 연구에 따르면, 나노 스케일 국부 변형은 광학 밴드 갭을 수정하고 단층 ReSe2의 전자 및 자기 특성을 변경합니다. [38]. 특히 비자성 WS2 단층은 적용된 이축 변형 하에서 강자성이 되고 가장 높은 자기 모멘트는 4.85 μB에 도달합니다. [39].

이 연구에서 우리는 단층 WSe2의 전자적 특성에 대한 공공 결함 및 인장 변형의 영향을 체계적으로 조사했습니다. . 우리는 단일 원자 공공, 이중 원자 공공 및 4 및 7 원자의 큰 공공의 여러 공공 결함을 계산했습니다. 우리는 모든 공극 결함이 단층 WSe2의 전자적 특성을 변화시킨다는 것을 발견했습니다. , VW2만 및 VWSe6 공석은 2 및 6 μB의 자기를 도입합니다. , 각각. 또한 단층 WSe2 VW 포함 공석은 외부 인장 변형에 따라 비자성에서 자성으로 변환됩니다. 더 중요한 것은 외부 이축 변형이 에너지 갭뿐만 아니라 VW의 자기 모멘트도 효과적으로 조절한다는 것입니다. -, VW2 - 및 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 . 우리의 계산은 결함이 있는 단층 WSe2를 제안합니다. 잠재적인 단층 자기 반도체로 공석이 있습니다.

계산 방법

본 연구의 모든 계산은 DFT(Density Functional Theory)에 기반한 Vienna Ab initio Simulation Package(VASP)를 채택하여 수행되었습니다[40, 41]. Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 방법은 전자 교환 상호 작용을 계산하는 데 사용되었습니다[42]. 이온-전자 및 전자-전자 상호작용은 PAW(Projector Augmented Wave) 방법과 평면파 기저 세트에 의해 계산되었습니다[43, 44]. 평면파 기저 세트에 대한 차단 에너지는 300 eV로 설정되었고 첫 번째 Brillouin 영역은 Monkhorst-Pack 방법에 기반한 3 × 3 × 1 k-mesh로 샘플링되었습니다[45]. 주기 슬래브 모델에서 인접한 이미지 간의 상호 작용을 제거하기 위해 단층 위의 수직 방향을 따라 15 Å의 진공 공간이 추가되었습니다. 각 이온에 가해지는 모든 힘이 0.02 eV/Å 미만이 될 때까지 구조 이완을 수행하고, 총 에너지에 대한 수렴 기준을 10 −4 으로 설정했습니다. eV. 이축 인장 변형은 결손이 도핑된 단층 WSe2에 부과되었습니다. , ε로 계산됨 =(c 0 )/ 0 × 100%, 여기서 cc 0 변형 및 자유 단층 WSe2의 격자 매개변수 , 각각.

결과 및 토론

단층 WSe의 원자 구조 및 전자적 특성2

단층 WSe2의 가장 안정적인 결정 구조 , 1H-WSe2로 표시 , Se-WSe의 샌드위치 층을 보여주는 그림 1a에 나와 있습니다. 1H-WSe2에서 , W 원자와 Se 원자는 육각형 시트의 부격자를 차지하고, 하부층의 Se 원자는 상부층의 Se 원자 바로 아래에 있다. 계산된 W-W 결합 길이는 3.31 Å이고 W-Se 결합 길이는 2.54 Å이며 이전 결과와 잘 일치합니다[10, 11]. 그림 1b에서 볼 수 있듯이 1H-WSe2에 대해 계산된 전자 밴드 구조 및 상태 밀도(DOS) 1H-WSe2임을 나타냅니다. 1.54 eV의 직접 밴드 갭을 갖는 비자성 반도체입니다. 계산된 결과는 1.55 eV의 이전 결과와 잘 일치합니다[12]. 보다 정확한 밴드 갭을 얻기 위해 Heyd-Scuseria-Ernzerh (HSE06) [46] 방법을 채택하여 전자 밴드 구조를 계산했습니다. 1H-WSe2의 에너지 격차 HSE06 방법으로 계산한 값은 2.0 eV입니다.

<그림>

단층 WSe2의 원자 구조에 대한 평면도 및 측면도 . 단층 WSe2의 전자 밴드 구조 및 상태 밀도(DOS) . 파란색, 빨간색 및 귤색 공은 각각 상단 및 하단 레이어의 Wand Se 원자를 나타냅니다. 페르미 레벨은 0 eV

로 설정됩니다.

결함된 단층 WSe의 자기 및 전자 특성2 공석 있음

우리는 단층 WSe2에 대한 7개의 빈 결함 구성을 고려했습니다. 현재 연구에서. 그들은 하나의 Se 원자 공석을 포함하는 단일 원자 공석입니다(VSe ), 하나의 W 원자 공석(VW ), VSe-Se의 두 원자 공석 , VSe2 , 및 VW2 . 두 개의 Se 원자 공석 VSe-Se VSe2 동안 서로 바로 아래 또는 위에 있는 두 개의 Se 원자가 제거됨을 의미합니다. /VW2 vacancy는 두 개의 인접한 Se/W 원자가 제거되었음을 의미합니다. 우리는 또한 VWSe3의 큰 공석을 고려했습니다. 및 VWSe6 . VWSe3 같은 층에 있는 하나의 W 원자와 근처에 있는 세 개의 Se 원자의 공석을 나타내며, VWSe6 하나의 W 원자와 근처의 세 쌍의 Se 원자의 공석을 나타냅니다. 단층 WSe2의 최적화된 구조 VSe 공석 있음 , V세세 , VSe2 , VW , VW2 , VWSe3 및 VWSe6 우리가 볼 수 있듯이 결함이 있는 단층 WSe2의 현재 연구에 5 × 5 × 1 슈퍼셀이 사용되었습니다. .

<그림>

단층 WSe2의 최적화된 원자 구조 VSe 포함 , V세세 , VSe2 , VW , VW2 , VWSe3 및 VWSe6 공석. 파란색, 빨간색 및 귤색 볼은 각각 상단 및 하단 레이어의 W 및 Se 원자를 나타냅니다.

표 1은 결함이 있는 단층 WSe2에 대한 결과를 요약한 것입니다. VSe 공석 있음 , V세세 , VSe2 , VW , VW2 , VWSe3 및 VWSe6 . VSe 공석 주변의 W-W 거리를 볼 수 있습니다. , V세세 , 및 VSe2 단층 WSe2의 원래 W-W 거리와 비교하여 각각 0.23, 0.52 및 0.24 Å 감소 , 이는 Se 원자 공석 주변의 W 원자가 서로 가까워진다는 것을 의미합니다. 또한 VW 공석 주변의 W-W 거리 , VW2 및 VWSe3 0.02, 0.01, 0.06 Å씩 약간 증가합니다. 그리고 단일 원자 공석 주변의 W-W 거리(VSe /VW )는 두 원자 공석(VSe2) 주변의 상대와 거의 같습니다. /VW2 ). 더 큰 공석의 경우 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 , vacancy의 모서리에서 인접한 W 원자 사이의 W-W 거리는 0.58 Å 감소하지만, vacancy의 가장자리에서 W-W 거리는 0.44 Å 증가합니다. 7개의 공석 기하학의 형성 에너지는 다음을 통해 계산됩니다.

$$ {E}_{\mathrm{form}}={E}_{\mathrm{van}\hbox{-} {\mathrm{WSe}}_2}\hbox{-} {E}_{{\ mathrm{WSe}}_2}+\Sigma {n}_{\mathrm{i}}{u}_{\mathrm{i}} $$

\( {E}_{\mathrm{van}\hbox{-} {\mathrm{WSe}}_2} \)및 \( {E}_{{\mathrm{WSe}}_2} \)는 총계입니다. 단층 WSe2의 5 × 5 × 1 슈퍼셀의 에너지 공실 결함 유무 및 u 그리고 n (i =Se, W)는 제거된 i의 화학적 포텐셜 및 수입니다. 원자. 표 1에 나열된 것처럼 7개의 공석에 대해 계산된 형성 에너지는 VSe , 단일 Se 원자 공석은 WSe2에서 자주 관찰되어야 합니다. 단층 MoS2의 이전 결과와 일치하는 단층 [17, 21]. VSe-Se의 2개의 Se 원자 공석에 대해 및 VSe2 , VSe2의 형성 에너지 VSe-Se보다 약간 높습니다. , VSe-Se를 나타냅니다. VSe2보다 에너지적으로 바람직합니다. . 따라서 다음 연구에서는 VSe-Se만 두 개의 Se 원자 공석으로 연구됩니다. 또한, 큰 규모의 공석에 대한 형성 에너지는 더 높으며, 이는 특정 종류의 구조 공학 기술을 통해 생성될 수 있습니다[29,30,31].

그런 다음 결함이 있는 단층 WSe2의 전자적 특성을 연구했습니다. VSe 공석 있음 , V세세 , VW , VW2 , VWSe3 및 VWSe6 . 그림 3은 6개의 vacancy-doped monolayer WSe2의 전자 밴드 구조를 보여줍니다. . 그림 3a와 같이 VSe -도핑된 단층 WSe2 반도체는 여전히 남아 있지만 갭 영역에 있는 공석 결함으로 인해 생성된 추가 전자 상태가 분명히 있습니다. 결과적으로 VSe의 에너지 갭 -도핑된 단층 WSe2 단층 WSe2와 비교하여 1.18 eV로 감소 . VSe-Se의 전자 밴드 구조 -도핑된 단층 WSe2 VSe와 유사합니다. -도핑된 단층 WSe2 , 그리고 그들의 에너지 격차는 가깝습니다. VW - 및 VWSe3 -도핑된 단층 WSe2 도 3c 및 e에 도시된 또한 반도체 특성을 유지하지만 각각 0.18 및 0.76 eV의 훨씬 더 작은 에너지 갭을 갖는다. VW2에 대해 위의 공석 결함과 달리 다수 및 소수 스핀 채널이 비대칭으로 분포됩니다. - 및 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 도 3d 및 f에 도시된 바와 같이. VW2의 경우 -도핑된 단층 WSe2 , 다수의 스핀 채널은 페르미 준위를 가로지르는 반면, 소수의 스핀 채널은 0.19 eV의 에너지 갭으로 반도체를 유지하고 자기 모멘트는 2.0 μB입니다. , VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 자기 모멘트가 6.0μB인 자기 반도체 .

<그림>

단층 WSe2의 전자 밴드 구조 a V , b세세 , VW , d VW2 , e VWSe3 , 및 f VWSe6 공석. 파란색과 빨간색 선은 각각 다수 및 소수 스핀 채널을 나타냅니다. 페르미 레벨은 0 eV

로 설정됩니다.

우리는 또한 6개의 vacancy-doped monolayer WSe2에 대한 부분 밀도 상태(PDOS)를 계산했습니다. 그들의 전자적 특성을 더 연구하기 위해. 그림 4는 VSe의 불순한 전자 상태를 보여줍니다. - 그리고 V세세 -도핑된 단층 WSe2 대부분 전도대 영역에 위치하며 공석 부근의 W 원자의 d 궤도에서 주로 파생되며 공석 주변의 Se 원자의 p 궤도에서는 거의 파생되지 않습니다. 이와는 달리 VW의 불순한 전자 밴드는 - 및 VWSe3 -도핑된 단층 WSe2 전도대 영역에 위치할 뿐만 아니라 가전자대 영역에서도 분할됩니다. VW의 경우 vacancy, 페르미 준위 근처의 전도대는 주로 d(dxy , dx2 및 dz2 ) 공석 주변의 W 원자의 오비탈과 페르미 준위 근처의 원자가 밴드는 주로 공석 주변의 Se 원자의 p 오비탈에서 비롯됩니다. VW와 비교 -도핑된 단층 WSe2 , VWSe3의 불순한 전자 상태 -도핑된 단층 WSe2 페르미 준위에서 더 멀리 떨어져 있습니다. 페르미 준위 근처의 전도대는 Se pz 공석 주변의 오비탈 및 W d 오비탈인 반면, 페르미 준위 근처의 가전자대는 주로 공석 주변의 W d 오비탈에서 나옵니다. 또한 W d 오비탈과 인접한 Se p 오비탈은 강하게 상호 작용하여 페르미 준위 주변에서 혼성화된 상태를 생성합니다. 하프메탈 VW2용 -도핑된 단층 WSe2 , 페르미 준위의 전도대 교차는 주로 Se px 궤도 및 페르미 준위 근처의 가전자대는 주로 W d(dx2 및 dz2 ) 궤도. 자기반도체 VWSe6의 경우 -도핑된 단층 WSe2 , 전도대와 페르미 준위 근처의 가전자대는 모두 공석 근처의 W d 궤도에서 파생됩니다.

<그림>

단층 WSe2의 부분 밀도 상태(PDOS) a V , b세세 , VW , d VW2 , e VWSe3 , 및 f VWSe6 공석. NN_W 및 NN_Se는 각각 공석 주변의 가장 가까운 이웃 W 및 Se 원자를 나타냅니다. 페르미 레벨은 0 eV

로 설정됩니다.

단층 WSe의 전자 및 자기 특성2 인장 변형률 하에서 공석 결함 있음

우리는 vacancy-doped monolayer WSe2의 전자적 및 자기적 특성을 더 연구했습니다. 변형은 2D 재료의 전자 구조와 자기 모멘트를 조정하는 효과적인 방법이기 때문에 이축 변형에서. 우리는 먼저 1H-WSe2를 공부했습니다. 이축 변형 하에서 단층. 우리의 계산 결과는 0 ~ 7% 범위의 이축 변형이 단층 WSe2에 자성을 유도하지 않음을 보여줍니다. , 단층 MoS2와 유사 [34, 36]. 또한 단층 WSe2 7% 변형률에서 에너지 갭이 0.5 eV로 감소하는 반도체 특성을 여전히 유지하고 적용된 인장 변형률이 증가함에 따라 W-W 결합 길이가 증가합니다.

그런 다음, 우리는 vacancy-doped monolayer WSe2를 연구했습니다. 0~7%의 인장 변형률에서. 그림 5는 VSe에 대한 전자 밴드 구조를 보여줍니다. -, V세세 -, VW -, VW2 -, VWSe3 - 및 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 1%, 4% 및 7%의 이축 변형률에서. 깨끗한 WSe2와 유사 단층, VSe -, V세세 - 및 VWSe3 -도핑된 단층 WSe2 모두 0~7%의 2축 변형률에서 반도체 특성을 유지하며 인가된 인장 변형률이 증가함에 따라 전도대 최소값이 페르미 준위에 가까워지고 있습니다. VW의 경우 -도핑된 단층 WSe2 1%보다 큰 이축 변형에서는 다수 및 소수 스핀 채널이 비대칭으로 분포합니다. 또한 VW2 - 및 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 둘 다 1~7%의 변형률에서 자기 반도체 특성을 나타냅니다. 비록 VSe -, V세세 - 및 VWSe3 -도핑된 단층 WSe2 0~7%의 이축 변형률에서 반도체 기능을 계속 유지하더라도 이축 변형은 그림 6a와 같이 에너지 갭을 효과적으로 제어합니다. VSe의 에너지 갭 - 그리고 V세세 -도핑된 단층 WSe2 둘 다 1.1에서 0.5 eV로 감소하는 반면 VWSe3의 에너지 갭 -도핑된 단층 WSe2 0.76에서 0.3 eV로 감소한 상대적으로 작습니다. 한편, VW의 에너지 갭은 -, VW2 - 및 VWSe6 -도핑된 단층 WSe2 0~7%의 이축 변형에서 0.2 eV 미만입니다.

<그림>

단층 WSe2의 전자 밴드 구조 VSe 포함 , V세세 , VW , VW2 , VWSe3 및 VWSe6 1%, 4% 및 7% 인장 변형률 미만의 공석. 파란색과 빨간색 선은 각각 다수 및 소수 스핀 채널을 나타냅니다. 페르미 레벨은 0 eV

로 설정됩니다. <그림>

단층 WSe2의 에너지 갭 VSe 포함 , V세세 및 VWSe3 공석. 단층 WSe2의 자기 모멘트 VW 포함 , VW2 및 VWSe6 인장 변형률이 0~7%일 때 공석이 생깁니다.

0~7%의 이축 변형에서 VSe -, V세세 - 및 VWSe3 -도핑된 단층 WSe2 그림 5와 같이 비자성 상태를 유지합니다. 대조적으로 비자성 VW -도핑된 단층 WSe2 4 μB의 자기 모멘트로 자기가 됩니다. 1%보다 큰 이축 변형률에서. 그림 7a에 표시된 스핀 분해 전하 밀도는 자기 모멘트가 주로 공석 주변의 W 및 Se 원자에서 발생함을 나타냅니다. 그림 7b와 같이 VW2의 자기 모멘트는 -도핑된 단층 WSe2 주로 공석 근처의 Se 원자에서 나오고 공석 주변의 W 원자에서는 거의 없습니다. 적용된 변형률이 1%보다 크면 더 많은 Se 원자가 스핀 분극되어 4 μB의 더 큰 자기 모멘트가 발생합니다. . VWSe6용 공석 결함, 자기 모멘트가 6 μB로 유지됨을 알 수 있습니다. 0~6%의 변형률에서 4 μB로 감소 그림 6b와 같이 7%의 변형률에서. 그림 7c는 자기 모멘트가 주로 VWSe6 주위의 6개 W 원자에서 발생함을 보여줍니다. . 적용된 변형률이 7%로 증가하면 공석 주변의 Se 원자가 더 스핀 분극화되지만 W 원자의 국부 자기 모멘트는 감소합니다. 이에 따라 VWSe6의 총 자기 모멘트는 -도핑된 WSe2 4 μB로 감소 7% 미만의 변형률입니다.

<그림>

단층 WSe2의 스핀 분해 전하 밀도 a VW , b VW2 , 및 c VWSe6 인장 변형률이 0~7%일 때 공석이 발생합니다. 노란색 및 청록색 등가면은 각각 양수 및 음수 스핀 밀도를 나타냅니다.

결론

요약하자면, 우리는 단층 WSe2에 대한 몇 가지 공석 결함을 연구했습니다. , 단일 Se 및 W 원자 공석(VSe 및 VW ), 이중 Se 및 W 원자 공석(VSe-Se 및 VW2 ), 동일한 층에 하나의 W 원자와 세 개의 Se 원자의 큰 공석(VWSe3 ) 및 하나의 W 원자와 근처의 세 쌍의 Se 원자의 공석(VWSe6 ). VSe -, V세세 -, VW - 및 VWSe3 -도핑된 단층 WSe2 모두 비자성 반도체 기능을 완벽한 WSe2로 유지 단층이지만 에너지 갭 영역에 위치하는 불순한 전자 상태로 인해 에너지 갭이 더 작습니다. 이는 공석 주변의 W d 및 Se p 궤도에서 기인하는 반면 VW2 및 VWSe6 공석은 단층 WSe2로 자성을 유도했습니다. 자기 모멘트가 2 및 6 μB인 경우 , 각각. 특히, 단층 WSe2 VW2 포함 공석은 반도체에서 반금속으로 변환됩니다. 더 중요한 것은, 우리의 계산 결과가 외부 이축 변형이 단층 WSe2의 자기와 전자적 특성을 효과적으로 조정한다는 것을 보여줍니다. .

약어

2D:

2차원

CVD:

화학기상증착법

DFT:

밀도 함수 이론

DOS:

상태 밀도

HSE06:

Heyd-Scuseria-Ernzerh 방법

PAW:

프로젝터 증강파 방식

PBE:

Perdew–Burke–Ernzerhof 방법

PDOS:

상태의 부분 밀도

TMD:

전이금속 디칼코게나이드

VASP:

Vienna Ab 초기 시뮬레이션 패키지


나노물질

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