外電場和雙軸應(yīng)變對MoSH/WSi2N4肖特基結(jié)勢壘的調(diào)控*

梁前 錢國林 羅祥燕 梁永超 謝泉

(貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,新型光電子材料與技術(shù)研究所,貴陽 550025)

鑒于實(shí)驗(yàn)上最新合成的二維半導(dǎo)體材料WSi2N4(WSN)和二維金屬材料MoSH(MSH),構(gòu)建了金屬-半導(dǎo)體MSH/WSN 肖特基結(jié).在實(shí)際的金屬-半導(dǎo)體接觸應(yīng)用中,肖特基勢壘的存在嚴(yán)重降低了器件的性能.因此,獲得較小的肖特基勢壘甚至是歐姆接觸至關(guān)重要.本文使用第一性原理計算研究了在外電場和雙軸應(yīng)變作用下MSH/WSN 肖特基結(jié)勢壘的變化.計算結(jié)果表明,外電場和雙軸應(yīng)變均可以有效地調(diào)控MSH/WSN肖特基結(jié)勢壘.正向外電場能實(shí)現(xiàn)MSH/WSN 肖特基結(jié)p 型與n 型肖特基接觸之間的動態(tài)轉(zhuǎn)化,而負(fù)向外電場可實(shí)現(xiàn)MSH/WSN 肖特基結(jié)向歐姆接觸的轉(zhuǎn)化.此外,較大的雙軸應(yīng)變可實(shí)現(xiàn)MSH/WSN 肖特基結(jié)p 型與n 型肖特基接觸的相互轉(zhuǎn)化.此項工作為基于WSN 半導(dǎo)體的肖特基功能器件及場效應(yīng)晶體管提供理論指導(dǎo).

1 引言

2004 年,石墨烯成功從塊體石墨中被剝離出來[1],它展現(xiàn)出優(yōu)異的電子、光學(xué)、力學(xué)和機(jī)械特性以及超高的延展性[2-4],同時,它在室溫下具有超高載流子遷移率[5](約為25000 cm2·V-1·s-1).但是,石墨烯零帶隙的特性限制了其在電子器件方面的應(yīng)用,人們開始把目光轉(zhuǎn)向別的二維材料: 過渡金屬硫化物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)[6-9]、六方氮化硼(h-BN)[10-12]、黑磷(BP)[13,14]等,這些新興的二維材料在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、谷電子學(xué)、自旋電子學(xué)和儲能技術(shù)等方面有著極其誘人的潛力[15-18].隨后,范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的出現(xiàn)更是帶來了相對于其他單層二維材料更誘人的前景.范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)保留了每層二維材料的固有電子特性,具有獨(dú)特的電子和器件性能,在納米電子和光電子器件制造等領(lǐng)域中逐漸取代了石墨烯和其他單層二維材料.

2020 年,Hong 等[19]通過化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)成功合成了自然界不存在的新型層狀二維材料MoSi2N4(MSN)及其衍生物WSN,七原子層結(jié)構(gòu)帶來了相比于其他二維材料更優(yōu)異的性能,許多基于MSN 的研究就此展開.他們還采用第一性原理計算預(yù)測了一個全新的MA2Z4家族,其中M代表了過渡金屬元素(Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,或Cr),A代表了Si 或Ge 元素,Z代表了N,P 或As 元素,它們均在動力學(xué)上穩(wěn)定.Wu 等[20]通過在MSN 和WSN 雙層上施加外加電場和雙軸應(yīng)變,發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)變能實(shí)現(xiàn)該雙層結(jié)構(gòu)從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變,而外加電場可實(shí)現(xiàn)該雙層結(jié)構(gòu)從半導(dǎo)體性到金屬性的轉(zhuǎn)變,表明MSN/WSN 雙層結(jié)構(gòu)有望成為下一代納米電子和光電子新材料.最近,Qian 等[21]和Zang等[22]通過在MSN 和WSN 中引入N 空位缺陷,發(fā)現(xiàn)MSN 和WSN 表現(xiàn)出高效的析氫反應(yīng)(hydrogen evolution reaction,HER)催化活性,相對于本征MSN 和WSN 有了質(zhì)的提升,表明含有N 空位缺陷的MSN 和WSN 可作為HER 催化劑.

近年來,有著Janus(即古羅馬神話中的“雙面神”,暗指兩個相對面上具有不對稱性質(zhì))結(jié)構(gòu)的二維材料引起了人們的興趣.這種Janus 結(jié)構(gòu)的材料打破了原本結(jié)構(gòu)所具有的對稱性,帶來了新穎獨(dú)特的性質(zhì).許多Janus 二維材料也被制備出來,例如可以在化學(xué)沉積生長MoS2或WS2多層過程中注入Se 來合成MoSSe 或WSSe[23].MoSSe 結(jié)構(gòu)正好處于MoS2和MoSe2之間,由于其對稱性的打破,使得MoSSe 表現(xiàn)出不同于MoS2和MoSe2的性質(zhì).2021 年,Janus MoSH(MSH)通過H2等離子體處理的方式被成功合成[24].簡單來說,MSH僅僅是將MoS2最外面的一層S 原子替換為H 原子,但兩者不同的是,MoS2是一種帶隙值約為1.80 eV 的二維半導(dǎo)體材料,而MSH 卻是一種無帶隙的二維金屬性材料.同時,Janus MSH 被證明在動力學(xué)上是穩(wěn)定的且具有高的載流子濃度,意味著MSH 在金屬-半導(dǎo)體接觸方面具有巨大的潛力[24].近來,Liu 等[25]發(fā)現(xiàn),Janus 材料由于其對稱性打破產(chǎn)生的固有內(nèi)建電場,產(chǎn)生了一個不對稱勢,進(jìn)而增強(qiáng)了從Janus 材料到石墨烯層光生載流子分離和轉(zhuǎn)移的速率,表明Janus 異質(zhì)結(jié)材料相較于傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)材料在高能量轉(zhuǎn)換效率的光伏電池應(yīng)用等方面具有更大的潛力.在金屬-半導(dǎo)體接觸時,Janus 材料的兩個面具有不同的功函數(shù),不同界面接觸行為有著不同的肖特基勢壘和電流傳輸?shù)忍匦?其肖特基勢壘的可調(diào)諧性對未來肖特基器件的制造有著重要的影響.

鑒于MSH 和WSN 的很多工作尚未展開,本文使用第一性原理計算研究了外電場和雙軸應(yīng)變對MSH/WSN 肖特基結(jié)勢壘的調(diào)控作用,探究n 型與p 型肖特基的接觸之間的轉(zhuǎn)換或者肖特基與歐姆接觸之間的轉(zhuǎn)換,為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo).首先,構(gòu)建了兩種接觸模型: MSH 的S 面與WSN 接觸的MHS/WSN 模型和MSH 的H 面與WSN 接觸的MSH/WSN 模型.然后,分別研究了肖特基結(jié)的兩個單層和兩種肖特基結(jié)模型的電子能帶特性,發(fā)現(xiàn)肖特基結(jié)的能帶僅僅是兩個單層能帶的簡單疊加.緊接著,研究了它們的電荷轉(zhuǎn)移特性,還計算了它們的束縛能,MHS/WSN 與MSH/WSN肖特基結(jié)的束縛能分別是-1.635 eV,-1.648 eV.本文選取相對更穩(wěn)定的H 面接觸的MSH/WSN模型來通過外電場和雙軸應(yīng)變進(jìn)行肖特基勢壘調(diào)控.結(jié)果表明,外電場和雙軸應(yīng)變均可有效調(diào)控肖特基結(jié)勢壘高度,合適的外加電場或雙軸應(yīng)變可實(shí)現(xiàn)肖特基的p 型與n 型接觸之間的轉(zhuǎn)換,甚至是肖特基結(jié)向歐姆接觸的轉(zhuǎn)換.本工作揭示了基于WSN 的MSH/WSN 肖特基結(jié)在肖特基功能器件制造方面有著巨大的潛力.

2 計算方法

本文的所有第一性原理計算使用了基于密度泛函理論下的VASP(Viennaab initiosimulation package)軟件包[26,27].采用了廣義梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)下的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函[28]來描述相互作用電子間的交換關(guān)聯(lián)能.投影綴加平面波(projector augmented wave,PAW)[29]方法被用來描述離子實(shí)和價電子之間的相互作用.經(jīng)過收斂性測試后,選擇500 eV 的截斷能和 9×9×1 的K點(diǎn)網(wǎng)格.能量和力的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別被設(shè)定為 1×10-6eV和0.01 eV/ ?.為了得到更精確的結(jié)果,采用DFTD3 方法修正層與層之間的范德瓦耳斯力.為了避免周期性對相鄰映像的影響,增加了20 ?的真空層.

3 結(jié)果與討論

3.1 電子結(jié)構(gòu)特性

圖1(a)和圖1(c)分別展示了MSH 和WSN的側(cè)視圖和俯視圖.從圖1(a)可以看出,MSH 與MoS2有著相同的結(jié)構(gòu),只是把其中一層S 原子替換成了H 原子.從WSN 的側(cè)視圖和俯視圖可看出,WSN 有著獨(dú)特的N-Si-N-W-N-Si-N 七原子層特性,W 原子處于由Si 原子與N 原子組成的六元環(huán)的中心.優(yōu)化后的MSH 和WSN 的晶格參數(shù)分別為3.01 ? 和2.91 ?,計算結(jié)果與前人結(jié)果相符[24,30].構(gòu)成異質(zhì)結(jié)后晶格失配率為3.32%,滿足晶格失配率小于5%的要求.從圖1(b)MSH 的能帶圖可以看出,費(fèi)米能級與能帶交疊,MSH 顯示出金屬性.而圖1(d)WSN 的能帶圖中費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶和價帶中間,WSN 顯示出半導(dǎo)體性.WSN 的價帶頂和導(dǎo)帶底分別位于布里淵區(qū)里不同的點(diǎn):Γ點(diǎn)和K點(diǎn),因此 WSN 屬于間接帶隙半導(dǎo)體,帶隙值為2.09 eV,其值與前人計算結(jié)果2.076 eV[19],2.06 eV[31]接近,也說明了我們實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?數(shù)值的差異是由于計算精度的不同與贗勢的選取不同而造成.

圖1 (a)MSH 與(c)WSN 的側(cè)視圖與俯視圖;(b)MSH 與(d)WSN 的能帶結(jié)構(gòu).費(fèi)米能級被設(shè)置為0 點(diǎn)Fig.1.Top and side views of(a)MSH and(c)WSN;band structures of(b)MSH and(d)WSN.The Fermi level is set to zero.

然后,構(gòu)建了由二維金屬M(fèi)SH 與二維半導(dǎo)體WSN 組成的肖特基結(jié)模型,由于MSH 由兩個不同的面組成,分別構(gòu)建了兩種不同的接觸模型:S 面與WSN 更靠近的MoHS(MHS)/WSN 肖特基結(jié)模型和H 面與WSN 更靠近的MSH/WSN 肖特基結(jié)模型.MHS/WSN 與MSH/WSN 肖特基結(jié)的側(cè)視圖見圖2(a)和圖2(c),其中白色小球代表H原子,黃色小球代表S 原子.MHS/WSN 與MSH/WSN 肖特基結(jié)的俯視圖見圖2(b)和圖2(d),H 原子和S 原子位于WSN 中N 原子正上方.結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,測得MHS/WSN 與MSH/WSN 肖特基結(jié)最優(yōu)層間距分別為3.48 ?與3.75 ?,表明MSH 層與WSN 層之間存在微弱的范德瓦耳斯相互作用.為了探究MHS/WSN 與MSH/WSN 肖特基結(jié)的穩(wěn)定性,分別計算了兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的束縛能(binding energy,Eb),Eb的大小由以下公式確定:Eb=EvdW-EMSH(MHS)-EWSN.其中EvdW代表組成肖特基結(jié)之后的能量,EMSH和EWSN分別代表著MSH(MHS)和WSN 單層的能量.經(jīng)過計算,MHS/WSN 與MSH/WSN 兩種肖特基結(jié)的束縛能Eb的大小分別是-1.635 eV,-1.648 eV,均為負(fù)值,說明兩種肖特基結(jié)都是穩(wěn)定的.束縛能Eb的值越小其構(gòu)成的肖特基結(jié)越穩(wěn)定.MSH/WSN 肖特基結(jié)的束縛能小于MHS/WSN 肖特基結(jié)的束縛能,因此選用更穩(wěn)定MSH/WSN 肖特基結(jié)來研究外電場和雙軸應(yīng)變對異質(zhì)結(jié)肖特基勢壘的影響.

圖2 (a)MHS/WSN 與(c)MSH/WSN 肖特基結(jié)的側(cè)視圖;(b)MHS/WSN 與(d)MSH/WSN 肖特基結(jié)的俯視圖Fig.2.Side views of(a)MHS/WSN and(c)MSH/WSN Schottky-junctions.Top views of(b)MHS/WSN and(d)MSH/WSN Schottky-junctions.

首先,在圖3(a)和圖3(d)繪制了MHS/WSN與MSH/WSN 肖特基結(jié)的投影能帶圖,其中綠色和黃色線條分別代表MSH 和WSN 對肖特基結(jié)的貢獻(xiàn).兩張能帶圖只有細(xì)微的差別,在能帶的走勢上幾乎一致.單層MSH 和WSN 原本的特性被很好地保留下來,肖特基結(jié)的能帶只是兩個單層MSH和WSN 的簡單疊加,兩個肖特基結(jié)中WSN 依舊保持了間接帶隙半導(dǎo)體的特性.根據(jù)Schottky-Mott 規(guī)則,半導(dǎo)體n 型和p 型肖特基勢壘高度由以下公式來計算:ΦBn=ECBM-EF;ΦBp=EF-ECBM.如果ΦBn的值大于ΦBp的值且都大于0,說明在界面處形成了p 型肖特基接觸;如果ΦBn的值小于ΦBp的值且都大于0,說明在界面處形成了n 型肖特基接觸;如果半導(dǎo)體的ΦBn或者ΦBp的值小于0 或者費(fèi)米能級與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶或者價帶有交疊,說明在金屬與半導(dǎo)體界面處形成歐姆接觸.計算所得的MHS/WSN 與MSH/WSN 肖特基結(jié)的ΦBn值分別為1.38 eV 與1.54 eV,ΦBp值分別為0.60 eV 與0.37 eV,因此,兩種肖特基結(jié)在界面處均形成了p 型肖特基接觸.

如圖3(b)與圖3(e)所示,為了探究金屬層MSH 和半導(dǎo)體層WSN 界面間的電荷轉(zhuǎn)移,繪制了平面平均差分電荷密度圖.平均差分電荷密度Δρ由以下公式定義: Δρ=ρvdw-ρMSH(MHS)-ρWSN.其中ρvdw,ρMSH(MHS)和ρWSN分別代表肖特基結(jié)、MSH(MHS),WSN 單層沿Z平面的平面平均電荷密度.結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于MSH 本身所特有的Janus結(jié)構(gòu)特性,WSN 分別與不同的面接觸時電荷轉(zhuǎn)移的程度會不同.在圖3(b)與圖3(e)中,正值代表了電荷的積累,負(fù)值代表了電荷的耗盡.不管是對于MHS/WSN 還是MSH/WSN 肖特基結(jié),電荷均在WSN 層耗盡,在MSH 層聚集,不過MSH/WSN肖特基結(jié)電荷轉(zhuǎn)移的程度要稍微大于MHS/WSN肖特基結(jié).電荷的積累和擴(kuò)散行為是電荷重新分布的結(jié)果,會形成一個微弱的內(nèi)建電場,內(nèi)建電場的方向由WSN 層指向MSH 層.圖3(c)與圖3(f)展示了MHS/WSN 與MSH/WSN 肖特基結(jié)的有效靜電勢.可以觀察到二維金屬材料MSH 和二維半導(dǎo)體材料WSN 之間存在著電勢差,這也印證了由于電荷轉(zhuǎn)移在MSH 與WSN 層之間存在著一個微弱的內(nèi)建電場.此外,由于MSH 是Janus 材料,在S 面和H 面存在著電勢差,而WSN 顯示出完美的對稱性.

圖3 (a)MHS/WSN 與(d)MSH/WSN 肖特基結(jié)的投影能帶結(jié)構(gòu);(b)MHS/WSN 與(e)MSH/WSN 肖特基結(jié)的兩個界面之間沿Z 平面的平面平均差分電荷密度;(c)MHS/WSN 與(f)MSH/WSN 肖特基結(jié)的有效靜電勢.其中綠色和黃色線條分別代表了MSH 和WSN 對肖特基結(jié)的貢獻(xiàn),費(fèi)米能級被設(shè)置為0 點(diǎn)Fig.3.Projected band structures of(a)MHS/WSN and(d)MSH/WSN Schottky-junctions.Plane-averaged differential charge densities between two interfaces along Z-plane of(b)MHS/WSN and(e)MSH/WSN Schottky-junctions.The effective electrostatic potential of(c)MHS/WSN and(f)MSH/WSN Schottky-junctions.The green and yellow lines represent the contributions of MSH and WSN,respectively.The Fermi level is set to zero.

3.2 電場對肖特基勢壘的調(diào)控

施加外加電場是一種能夠有效地調(diào)控肖特基勢壘的方法,這里定義施加外加電場的正方向是從WSN 層指向MSH 層,與內(nèi)建電場的方向一致.圖4 為不同外加電場下MSH/WSN 肖特基結(jié)的投影能帶結(jié)構(gòu),外加電場的范圍從-0.4 V/?到+0.4 V/?.結(jié)果發(fā)現(xiàn),在負(fù)外加電場作用下,WSN 導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢枚及l(fā)生上移,而在正外加電場作用下,WSN 導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢枚及l(fā)生下移.負(fù)外加電場作用下,從-0.1 到-0.3 V/?,導(dǎo)帶底仍然位于K點(diǎn),價帶頂位于Γ點(diǎn),與之前單層時候一致.而在-0.4 V/?外加電場作用下,其導(dǎo)帶底的位置由原來的K點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了M點(diǎn).在正外加電場作用下,其導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢貌⑽窗l(fā)生變化,保持了原先單層間接帶隙半導(dǎo)體的特性.

圖4 不同外加電場下MSH/WSN 肖特基結(jié)的投影能帶結(jié)構(gòu)(-0.4 -+0.4 V/?),費(fèi)米能級被設(shè)置為0 點(diǎn)Fig.4.Projected band structures of MSH/WSN Schottky-junctions under different external electric fields(ranging from -0.4 to 0.4 V/?).The Fermi level is set to zero.

圖5(a)展示了其肖特基勢壘隨外加電場變化的折線圖,當(dāng)施加正外加電場大于0.2 V/?時,ΦBp的值逐漸超過了ΦBn的值,MSH/WSN 肖特基結(jié)由原來的p 型接觸變?yōu)榱薾 型肖特基接觸.當(dāng)施加負(fù)外加電場大于-0.2 V/?時,ΦBp的值從正變?yōu)樨?fù),意味著MSH/WSN 肖特基結(jié)變?yōu)榱藲W姆接觸.歐姆接觸對于傳統(tǒng)的基于金屬-半導(dǎo)體接觸的場效應(yīng)晶體管的制造有著很深遠(yuǎn)的意義,此項工作可以為基于WSN 半導(dǎo)體的肖特基功能器件及場效應(yīng)晶體管提供理論指導(dǎo).此外,ΦBn的值隨著正外加電場的不斷增大而減小,隨著負(fù)外加電場的不斷增大而增大,ΦBp的變化趨勢剛好與之相反.雖然外加電場引起了ΦBp和ΦBn的變化,但ΦBn與ΦBp的和幾乎沒有發(fā)生改變.唯獨(dú)在施加-0.4 V/?時的外加電場作用下ΦBn與ΦBp的和有些許的下降(下降了大約0.15 eV),這是由于電場引起了導(dǎo)帶底位置發(fā)生改變而引起的.

圖5 MSH/WSN 肖特基結(jié)在不同(a)外電場(Eext)和(b)雙軸應(yīng)變(ε)下的肖特基勢壘的變化Fig.5.Variation of the Schottky barrier heights under different(a)external electric fields(Eext)and(b)biaxial strain(ε)in MSH/WSN Schottky-junction.

3.3 雙軸應(yīng)變對肖特基勢壘的調(diào)控

除了外電場,雙軸應(yīng)變是另一種有效調(diào)控肖特基勢壘的方法.雙軸應(yīng)變的應(yīng)變系數(shù)ε定義為:ε=(a-a0)/a0×100%,其中a和a0分別代表應(yīng)變后和應(yīng)變前的晶格系數(shù).如果應(yīng)變系數(shù)ε的值大于1,代表拉伸應(yīng)變;反之,如果應(yīng)變系數(shù)ε的值小于1,代表壓縮應(yīng)變.圖6 給出了在不同雙軸應(yīng)變(-8%-8%)下MSH/WSN 肖特基結(jié)的投影能帶結(jié)構(gòu).當(dāng)施加-2%的雙軸應(yīng)變時,導(dǎo)帶底的位置由原來的K點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了M點(diǎn);負(fù)雙軸應(yīng)變程度繼續(xù)加大到-4%時,價帶頂?shù)奈恢糜稍瓉淼摩｜c(diǎn)轉(zhuǎn)移到了K點(diǎn);而當(dāng)負(fù)雙軸應(yīng)變程度繼續(xù)加大到-8%時,導(dǎo)帶底的位置轉(zhuǎn)移到了不屬于布里淵區(qū)里?！鶮路徑上某一點(diǎn)處.當(dāng)施加正雙軸應(yīng)變時,導(dǎo)帶底的位置向下移動,價帶頂?shù)奈恢孟认蛏弦苿雍笙蛳乱苿?但導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢萌苑謩e位于K點(diǎn)與Γ點(diǎn).而且,不論是正雙軸應(yīng)變還是負(fù)雙軸應(yīng)變,它們都保持了WSN 原本間接帶隙半導(dǎo)體的特性.

圖6 不同雙軸應(yīng)變ε 下MSH/WSN 肖特基結(jié)的投影能帶結(jié)構(gòu)(-8%-+8%),費(fèi)米能級被設(shè)置為0 點(diǎn)Fig.6.Projected band structures of MSH/WSN Schottky-junctions under different biaxial strain ε(ranging from -8% to 8%).The Fermi level is set to zero.

圖5(b)展示了MSH/WSN 肖特基結(jié)勢壘隨著雙軸應(yīng)變變化的折線圖.在正雙軸應(yīng)變下,ΦBn的值隨著應(yīng)變強(qiáng)度的增大而減小,ΦBp的值先減小而后在到達(dá)4%的時候增大;在負(fù)雙軸應(yīng)變下,ΦBn的值先增大后在達(dá)到-4%應(yīng)變強(qiáng)度后減小,而ΦBp的值呈現(xiàn)一直增大的趨勢.與外加電場不同的是,由于雙軸應(yīng)變極大地改變了異質(zhì)結(jié)的晶格參數(shù),導(dǎo)致其ΦBn與ΦBp的和發(fā)生較大改變.ΦBn與ΦBp的和在-4%到+8%應(yīng)變強(qiáng)度范圍內(nèi)逐漸減小,在-8%到-4%范圍內(nèi)逐漸增大.當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)度達(dá)到一個較大的值(±8%)的時候,MSH/WSN 肖特基結(jié)可實(shí)現(xiàn)從p 型到n 型肖特基接觸之間的轉(zhuǎn)變.外電場和雙軸應(yīng)變引起MSH/WSN 肖特基結(jié)勢壘的變化的原因可以歸結(jié)為: 異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)由重疊的電子軌道控制,而施加的外電場和雙軸應(yīng)變可以極大地影響電子軌道的重疊行為.價電子軌道在導(dǎo)帶底和價帶頂占據(jù)主導(dǎo)地位,外電場和雙軸應(yīng)變通過影響價電子軌道的重疊行為影響導(dǎo)帶底和價帶頂價電子的電子態(tài)發(fā)生改變使得導(dǎo)帶和價帶發(fā)生移動.

圖7 設(shè)計了一個基于二維MSH/WSN 肖特基結(jié)的可調(diào)諧肖特基二極管,其中向下的箭頭代表正外加電場的方向,向上的箭頭代表負(fù)外加電場的方向.由于MSH 具有高的載流子濃度,二維金屬M(fèi)SH 它可以被用作電極以實(shí)現(xiàn)高效的載流子注入.通過改變外部電場的強(qiáng)度和方向,肖特基二極管可以被重新配置,以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸與肖特基接觸和p 型與n 型肖特基接觸之間的動態(tài)切換.基于MSH/WSN 肖特基結(jié)的可調(diào)諧肖特基二極管為替代傳統(tǒng)的肖特基二極管提供了可能性.

圖7 基于MSH/WSN 肖特基結(jié)的可調(diào)諧肖特基二極管的示意圖Fig.7.Schematic diagram of a tunable Schottky diode based on MSH/WSN Schottky-junctions.

4 結(jié)論

本文采用第一性原理計算了外加電場和雙軸應(yīng)變對MSH/WSN 金屬-半導(dǎo)體接觸肖特基結(jié)勢壘的調(diào)控作用.由二維金屬材料和二維半導(dǎo)體材料WSN 構(gòu)成肖特基結(jié)后,H 面接觸模型MSH/WSN比S 面接觸模型MHS/WSN 更穩(wěn)定.兩種肖特基結(jié)的能帶均很大程度地保留了單層MSH 和WSN的能帶特性,僅是兩個單層材料能帶的簡單疊加.計算結(jié)果表明,外加電場和雙軸應(yīng)變均能有效調(diào)控MSH/WSN 肖特基結(jié)勢壘.當(dāng)正外加電場大于0.2 V/?時,MSH/WSN 肖特基結(jié)可以實(shí)現(xiàn)p 型與n 型肖特基接觸之間的轉(zhuǎn)換;當(dāng)負(fù)外加電場大于-0.2 V/?時,MSH/WSN 肖特基結(jié)轉(zhuǎn)化為歐姆接觸.當(dāng)雙軸應(yīng)變達(dá)到±8%時,可以使MSH/WSN肖特基結(jié)實(shí)現(xiàn)p 型與n 型肖特基接觸之間的轉(zhuǎn)換.本文為基于MSH/WSN 肖特基結(jié)的光電子器件提供了理論參考,同時揭示了WSN 材料在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛能.