外電場調(diào)控V2NO2/MoGe2N4異質(zhì)結(jié)界面性質(zhì)的第一性原理

王澤，白麗娜，牛麗

外電場調(diào)控V2NO2/MoGe2N4異質(zhì)結(jié)界面性質(zhì)的第一性原理

王澤，白麗娜，牛麗

（哈爾濱師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

MA2Z4；異質(zhì)結(jié)；肖特基勢壘；第一性原理

2020年，HONG[1]670等用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法成功制造了MoSi2N4（MSN）單層，它是由上下兩個(gè)Si-N原子層中間夾著MoN2單層構(gòu)成的．這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)具有比其他二維材料更優(yōu)異的性能，如室溫下的良好穩(wěn)定性、顯著的載流子遷移率[1]670、突出的壓電性[2]和高晶格熱導(dǎo)率[3]等．MSN單層優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，讓研究人員開始了有關(guān)MA2Z4家族（M代表過渡金屬元素，A代表Si或Ge元素，Z代表N，P或As元素）的研究，例如：采用第一性原理計(jì)算預(yù)測了72種可在動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定的，類似于MoSi2N4的二維結(jié)構(gòu)[1]671．MA2Z4家族中M，A，Z 三種組成元素的多樣性，使它們的電子結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)具有廣泛的可調(diào)性，使其在電子、光電和自旋電子器件中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力．

基于MA2Z4和MXenes二者多樣可調(diào)諧的本征性質(zhì)，將MXenes集成在MA2Z4單層上，對于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的金屬-半導(dǎo)體接觸（M-S結(jié)）有著很好的前景．本文通過第一性原理計(jì)算研究了V2NO2/ MoGe2N4異質(zhì)結(jié)在不同堆疊下的結(jié)構(gòu)，以及最穩(wěn)定構(gòu)型下的能帶結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)，并且通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)V2NO2/ MoGe2N4異質(zhì)結(jié)可以在外部電場作用下調(diào)節(jié)肖特基勢壘高度和接觸類型．研究結(jié)果揭示了V2NO2/ MoGe2N4異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種新型可調(diào)的金屬/半導(dǎo)體接觸，具有應(yīng)用于肖特基電子器件的良好潛力，并豐富了MXenes/MA2Z4界面接觸的研究，為實(shí)驗(yàn)和理論工作提供了參考．

1 計(jì)算方法

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

圖1 MoGe2N4結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)及狀態(tài)密度和聲子譜

圖2 V2N 的結(jié)構(gòu)圖和能帶結(jié)構(gòu)及狀態(tài)密度

圖3 V2NO2/ MoGe2N4異質(zhì)結(jié)的六種堆疊方式（分別稱為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ）

2.2 能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)

圖4 V2NO2/ MoGe2N4異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)、投影能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度

計(jì)算結(jié)果表明，界面區(qū)電荷存在明顯的分布調(diào)整，電荷積累主要集中在V2NO2單層周圍，而電荷耗盡主要集中在MoGe2N4單層周圍，表明單層之間存在電荷轉(zhuǎn)移．由于電荷重新的分布，形成一個(gè)由單層MoGe2N4指向單層V2NO2的微弱內(nèi)建電場．V2NO2/ MoGe2N4肖特基結(jié)的有效靜電勢見圖5c（綠色和黃色分別為電荷耗盡和電荷積累）．可以觀察到功能化的MXene材料V2NO2和二維半導(dǎo)體材料MoGe2N4之間存在著電勢差，這也印證了由于電荷轉(zhuǎn)移在MoGe2N4與V2NO2層之間存在著內(nèi)建電場．

圖5 V2NO2/MoGe2N4異質(zhì)結(jié)電子性質(zhì)

2.3 電場對肖特基勢壘的調(diào)控

圖6 異質(zhì)結(jié)在外電場作用下的肖特基勢壘和能帶結(jié)構(gòu)的變化

3 結(jié)論

本文采用第一性原理計(jì)算對金屬V2NO2和半導(dǎo)體MoGe2N4的本征性質(zhì)及界面特性進(jìn)行了研究．V2NO2具有類金屬特性，MoGe2N4為間接帶隙半導(dǎo)體特性．金屬V2NO2和半導(dǎo)體MoGe2N4為型肖特基接觸，在外部電場調(diào)制下，金屬V2NO2和半導(dǎo)體MoGe2N4的界面接觸類型由型肖特基接觸變成了歐姆接觸．說明電場可以有效地調(diào)節(jié)肖特基勢壘的接觸類型，V2NO2/ MoGe2N4是一種很有前途的高性能肖特基納米器件．

[1] HONG Y L，LIU Z，WANG L，et al．Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4materials[J]．Science，2020，369（6504）：670-674．

[2] Mortazavi B，Javvaji B，Shojaei F，et al．Exceptional piezoelectricity，high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4family confirmed by first-principles[J]．Nano Energy，2021，82：105716．

[3] YU J，ZHOU J，WAN X，et al．High intrinsic lattice thermal conductivity in monolayer MoSi2N4[J]．New Journal of Physics，2021，23（3）：033005．

[4] Naguib M，Kurtoglu M，Presser V，et al．Two‐dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2[J]．Advanced Materials, 2011，23（37）：4248-4253．

[5] Anasori B，Xie Y，Beidaghi M，et al．Two-dimensional，ordered，double transition metals carbides（MXenes）[J]．ACS nano， 2015，9（10）：9507-9516．

[6] Ng V M H，HUANG H，ZHOU K，et al．Recent progress in layered transition metal carbides and/or nitrides（MXenes）and their composites：synthesis and applications[J]．Journal of Materials Chemistry A，2017，5（7）：3039-3068．

[7] Bl?chl P E．Projector augmented-wave method[J]．Physical Review B，1994，50（24）：17953．

[8] Alfe D，Gillan M J，Price G D．The melting curve of iron at the pressures of the Earth′s core from ab initio calculations[J]．Nature， 1999，401（6752）：462-464．

[9] LIU Y，STRADINS P，WEI S H．Van der Waals metal-semiconductor junction：Weak Fermi level pinning enables effective tuning of Schottky barrier[J]．Science Advances，2016，2（4）：e1600069．

[10] Mortazavi B，Javvaji B，Shojaei F，et al．Exceptional piezoelectricity，high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4family confirmed by first-principles[J]．Nano Energy，2021，82：105716．

[11] SI C，LIU J，XU Y，et al．Functionalized germanene as a prototype of large-gap two-dimensional topological insulators[J]．Physical Review B，2014，89（11）：115429．

[12] Bardeen J．Surface states and rectification at a metal semi-conductor contact[J]．Physical Review，1947，71（10）：717．

[13] LIU Y，ZHANG Q，ZHANG W，et al．Tuning Schottky barrier and contact type of metal semiconductor in Ti3C2T2/MoS2（T= F，O，OH）by strain：a first-principles study[J]．The Journal of Physical Chemistry C，2021，125（29）：16200-16210．

First-principles of external electric field regulates the interface properties of V2NO2/ MoGe2N4heterojunction

WANG Ze，BAI Lina，NIU Li

（School of Physics and Electronic Engineering，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

The fundamental properties of V2NO2and MoGe2N4and the electric field response of their heterostructured interfaces are systematically investigated using first principles calculations．V2NO2exhibits metallic like properties, while MoGe2N4exhibits indirect bandgap semiconductor properties. Heterojunctions constructed with two different structures have six different stacking methods, and all configurations have been optimized. The lowest energy configuration has been selected for electric field response characteristics analysis．The electric field response of the V2NO2/ MoGe2N4heterostructure is characterised by a van der Waals interaction，and the two structures maintain their intrinsic properties well in the heterostructure．The V2NO2/ MoGe2N4heterojunction can switch between-type Schottky contacts and Ohmic contacts under the modulation of an external electric field．The results show that V2NO2/ MoGe2N4is a tunable metal/semiconductor contact．

MA2Z4；heterojunction；Schottky barrier；first nature principle

O469

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.009

1007-9831（2024）02-0048-05

2023-06-27

王澤（1998-），女，黑龍江伊春人，在讀碩士研究生，從事凝聚態(tài)物理研究．E-mail：1217190773@qq.com

白麗娜（1981-），女，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事凝聚態(tài)物理研究．E-mail：shidabailina@163.com