Trägertransporteigenschaften des asymmetrischen MoS2-Gassensors unter Ladungstransfer-basierter Barrieremodulation

Zusammenfassung

In den letzten Jahren haben zweidimensionale Materialien aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften enorme Aufmerksamkeit für elektrische Sensorgeräte der nächsten Generation erlangt. Hier berichten wir über die Transporteigenschaften von MoS₂ Schottky-Dioden sowohl unter Umgebungsbedingungen als auch unter Gaseinwirkungsbedingungen. MoS₂ Feldeffekttransistoren (FETs) wurden unter Verwendung von Pt- und Al-Elektroden hergestellt. Die Austrittsarbeit von Pt ist höher als die von MoS_2, während die von Al niedriger ist als die von MoS₂ . Das MoS₂ Gerät mit Al-Kontakten zeigte aufgrund seiner geringeren Schottky-Barrierehöhe (SBH) einen viel höheren Strom als das mit Pt-Kontakten. Die elektrischen Eigenschaften und Gasreaktionen des MoS₂ Schottky-Dioden mit Al- und Pt-Kontakten wurden elektrisch gemessen und durch dichtefunktionaltheoretische Berechnungen simuliert. Der theoretisch berechnete SBH der Diode (unter Gasabsorption) zeigte, dass NO_x Moleküle hatten eine starke Wechselwirkung mit der Diode und induzierten einen negativen Ladungstransfer. Bei NH₃ . wurde jedoch ein gegenteiliger Trend beobachtet Moleküle. Wir haben auch die Wirkung von Metallkontakten auf die Gassensorleistung von MoS₂ . untersucht FETs sowohl experimentell als auch theoretisch.

Hintergrund

In den letzten Jahren, nach der Entdeckung von Graphen, haben zweidimensionale (2D) Nanomaterialien mit vertikal gestapelten Schichten, die durch Van-der-Waals-Kräfte (vdW) verbunden sind, aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften immense Aufmerksamkeit erlangt [1,2,3,4 ,5]. Graphen, eine geschichtete hexagonale Struktur von Kohlenstoff, hat mit seinen einzigartigen Eigenschaften wie hoher Ladungsträgerbeweglichkeit [6, 7], mechanischer Festigkeit [8] und Flexibilität [9, 10] neue Wege für nanoelektronische Bauelemente eröffnet. Vor kurzem wurden Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) wie MoS₂ und WSe₂ , wurden auch wegen ihrer höheren Bandlücke im Vergleich zu Graphen untersucht [11,12,13,14,15]. Monoschicht-MoS_2, mit einer Dicke von 6,5 Å ist die bekannteste 2D-geschichtete TMD. Es zeigt eine hohe Mobilität von bis zu ~ 200 cm² V⁻¹ s⁻¹ [16] und Ein/Aus-Verhältnisse von über ~ 10⁸ [17]. Darüber hinaus ist MoS₂ ist ein Halbleiter mit einer indirekten Bandlücke von 1,2 eV [18] im Bulk und einer direkten Bandlücke von 1,8 eV [19] in einer einzelnen Schicht im Gegensatz zu Graphen, das keine Bandlücke hat. Diese Null-Bandlücke von Graphen schränkt seine Anwendung in nanoelektronischen Geräten ein.

Um MoS₂ zu entwickeln Transistoren mit einer Leistung, die mit der von siliziumbasierten Geräten vergleichbar ist, viele Einschränkungen wie die Qualität des Gitterzustands, der Herstellung und des Kontaktwiderstands zwischen dem Kontaktmetall und MoS₂ müssen überwunden werden. Viele der früheren Studien in diesem Zusammenhang konzentrierten sich auf die Verbesserung der elektrischen Wechselwirkung an der Grenzfläche von MoS₂ und die Metallelektroden. Dies liegt daran, dass zu den kontaktbezogenen Eigenschaften die Potenzialdifferenz, die Glühbedingungen und die Fläche gehören. Die meisten dieser Studien gingen jedoch von symmetrischen Verbindungen aus und beinhalteten weder experimentelle noch theoretische Analysen. Außerdem ist es schwierig, das Trägerverhalten von MoS₂ . zu analysieren unter Gasexpositionsbedingungen, indem nur seine Bandstrukturmodulation beobachtet wird. Die Anwendung dieser Simulationsergebnisse ist beschränkt, da diese grundlegende Bandstruktur keinen spezifischen Wert zur Bestimmung der Modulation liefern kann. Obwohl angenommen wird, dass die Höhe der Schottky-Barriere (SBH) ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der elektrischen Reaktion von MoS₂ . ist, Transistors unter Gasabsorption, die bisherigen Studien haben die Wirkung von SBH weder theoretisch noch experimentell analysiert.

In dieser Studie haben wir MoS₂ . hergestellt FETs mit asymmetrischen Elektroden, Al und Pt, um den Ladungsträgertransport durch die Schottky-Barriere unter Gaseinwirkungsbedingungen zu beobachten. Zuerst wurde die Austrittsarbeitsdifferenz in den Geräten geometrisch abgebildet, indem ihre Oberflächenpotentiale mit Kelvin-Sondenkraftmikroskopie (KPFM) gemessen wurden. So entwerfen Sie das MoS₂ Schottky-Diode, der Kontakteffekt des MoS₂ /Metall-Grenzfläche wurde unter Umgebungsbedingungen sowohl theoretisch (Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Rechnungen) als auch experimentell (elektrische Messungen des symmetrischen und asymmetrischen MoS₂ FETs). Die elektrische Reaktion der Diode wurde unter Gaseinwirkungsbedingungen gemessen. Diese elektrische Reaktion wurde dann mit den theoretisch berechneten SBH-Änderungswerten verglichen, was es ermöglicht, die Modulation numerisch zu verstehen. Die Ergebnisse dieser Studie geben einen Einblick in die Wechselwirkung von Gasmolekülen und dem MoS₂ /Metallkontaktschnittstelle in MoS₂ -basierte Gassensorgeräte.

Methode

Herstellung von MoS₂ Geräte

Wir haben das MoS₂ . hergestellt Schottky-Bauelemente, die ein einfaches mechanisches Übertragungsverfahren verwenden. Wenig geschichtete Flocken von MoS₂ wurden von ihrem Bulk-Kristall abgeblättert, der von SPI-Lieferanten gekauft wurde. Unter Verwendung von Polydimethylsiloxan (PDMS) („Sylgard 184“, Dow Corning), MoS₂ wurde auf hochdotiertes Si/SiO₂ . übertragen Substrate. Auf den Probenfilmen wurden Pt- und Al-Elektroden (100 nm dick) abgeschieden und durch Elektronenstrahllithografie unter Verwendung eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-SEM) (JSM-7001F, JEOL Ltd.) strukturiert. Die Leistung des MoS₂ Geräte wurden durch Messung ihrer Source/Drain- und Source/Gate-Spannungsmodulation (Keithley 2400 Source Meter) bei Raumtemperatur bewertet.

Messung des Oberflächenpotentials

Das Oberflächenpotential der Geräte wurde im Interleave-Modus der elektrischen Kraftmikroskopie (Nanoscope IV, Veeco) unter Verwendung einer PtIr-beschichteten Silizium-Sondenspitze (SCM-PIT, Veeco) bei einer Umgebungsluftbedingung von 25 °C und 1 bar gemessen. Beim ersten Scan der Spitze wurde die Oberflächentopologie der Geräte untersucht. Ein anschließender zweiter Scan wurde durchgeführt, um die elektrostatische Kraft zwischen der Geräteoberfläche und der Spitze zu messen.

DFT-Berechnungen

Eine $ \sqrt{3}\times \sqrt{3} $ Superzelle von MoS₂ wurde mit drei Mo-Atomen und sechs S-Atomen hergestellt (Abb. 3a). Ein Vakuumabstand von 15 Å wurde definiert, um die Interaktion der Bilder zu verhindern. Die Gitterkonstante wurde mit 3,184 Å berechnet, was gut mit dem experimentellen Wert (3,160 Å) übereinstimmt. Substrate mit sechs Schichten aus Al- oder Pt-Metallatomen (mit (111)-freier Oberfläche) wurden hergestellt, um die Grenzfläche zwischen den Metallen und der Monoschicht MoS₂ . aufzubauen . Die Gitterkonstanten von Al- und Pt-Substraten wurden mit 4.070 bzw. 3.973 Å berechnet. Nach der Geometrieoptimierung jeder Struktur, Monolayer MoS₂ auf dem Substrat abgeschieden und die Konfiguration nochmals optimiert. Eine Gitterfehlanpassung zwischen MoS₂ und die Metallsubstrate wurden beobachtet, weil die Monoschicht von MoS₂ während der Geometrieoptimierungen gestreckt. Die Struktur von einschichtigem MoS₂ mit Gasmolekülen (einschließlich NO₂ und NH₃ ) wurde ebenfalls mit einer $ \sqrt{3}\times \sqrt{3} $ Superzelle konstruiert und optimiert.

DFT-Rechnungen wurden mit VASP (Vienna ab initio simulation package) durchgeführt [20,21,22,23]. GGA (generalized gradient approximation) – PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) zum Austausch-Korrektur-Funktional der PAW (Projector Augmented-wave) Methode wurde mit vdW-Korrekturen verwendet [24,25,26,27]. Die Grenzenergie für den Basissatz wurde für alle Berechnungen auf 500 eV erweitert. Für die Selbstkonsistenz- und Bandstrukturberechnungen wurden die Kriterien für die elektronische Energiekonvergenz und die Atomkraft auf 10⁻⁵ . eingestellt eV bzw. 0,02 eV/Å. Die K-Punkte für die Brillouin-Zonen-Abtastung waren 8 × 8 × 1 (mit Gamma (Γ)-Punkt zentriert). Zur Messung der vdW-Wechselwirkungen zwischen den Gasmolekülen und MoS₂ , wurde die DFT-D2-Methode von Grimme verwendet [28].

Ergebnis und Diskussion

Wir haben MoS₂ . vorbereitet mit zwei Elektrodentypen (Al und Pt) und charakterisierten ihre Morphologie und Dicke mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) (Abb. 1a). Abbildung 1b zeigt die Höhe des MoS₂ Schicht entlang der Querschnittslinie (dargestellt durch die rote Linie in Abb. 1a). Die Dicke des MoS₂ Probe war 4 nm. Um den Austrittsarbeitsunterschied im MoS₂ . zu demonstrieren Geräte mit symmetrischen und asymmetrischen Elektroden haben wir KPFM verwendet, um die Kontaktpotentialdifferenz zwischen MoS₂ . zu messen und die Sondenspitze. Wenn die Sondenspitze und die Probe nahe genug waren, wurde aufgrund der Austrittsarbeitsdifferenz zwischen ihnen eine elektrostatische Kraft ausgeübt. Die Beziehung zwischen der elektrostatischen Kraft und der Austrittsarbeit der beiden Materialien ist wie folgt:

$$ {F}_{\mathrm{elektrostatisch}}=\frac{q_{\mathrm{s}}{q}_{\mathrm{t}}}{4{\pi\varepsilon}_0{z}^ 2}+\frac{1}{2}\frac{dC}{dz}{\left({V}_{\mathrm{angewandt}}-{V}_{\mathrm{Kontakt}}\right)} ^2 $$

wo dC /dz ist die Ableitungskapazität zwischen Probe und Spitze, q _s die Oberflächenladung ist und q _t ist die Gebühr der Spitze. V _Kontakt kann durch den Oberflächenpotentialwert charakterisiert werden [29]. Unter Verwendung des Oberflächenpotentialwerts berechneten wir die Austrittsarbeit als

$$ {V}_{\mathrm{Kontakt}}={\Phi}_m-{\chi}_s-\varDelta {E}_{fm}-\varDelta \Phi $$

wobei Φ_m ist die Austrittsarbeit der Tastspitze, χ _s ist die Elektronenaffinität, ΔE _fn die Position des Fermi-Niveaus vom niedrigsten Niveau des Leitungsbandes ist und Δ Φ ist die modifizierte Bandbeugung.

a Schematische Darstellung des MoS₂ Schottky-Dioden mit Al- und Pt-Kontakten. b AFM-Bild des MoS₂ Schottky-Diode mit asymmetrischen Metallelektroden (Al/Pt). c Querschnittsanalyse des Gerätes zur Messung der Dicke von MoS₂ Schicht. d Oberflächenpotentialbild desselben Geräts. e Normalisierte Verteilung der relativen Oberflächenpotentiale von MoS₂ , Al und Pt

Die Abbildung des Oberflächenpotentials der Geräte ist in Abb. 1c dargestellt. Wir haben den Austrittsarbeitswert (4,85 eV) der PtIr-beschichteten Si-Spitze hinzugefügt, um die Austrittsarbeit von Elektrode und Kanalteil zu erhalten [30]. Dann folgte dem Normalisierungsprozess die Positionierung des Prozentwerts von MoS₂ zwischen Pt und Al, wie in Fig. 1d gezeigt. Die Differenz zwischen den Oberflächenpotentialen von Al und MoS₂ betrug 22,5%, was kleiner ist als das zwischen den Oberflächenpotentialen von Pt und MoS₂ (100%). Im Gegensatz zu Pt hat Al eine vergleichbare Austrittsarbeit wie MoS₂ . Dies liegt daran, dass das Oberflächenpotential von Al mit dem von MoS₂ . vergleichbar ist . Da MoS₂ und Al haben ähnliche Austrittsarbeiten, sie können ohmsche Kontakte bilden. MoS₂ und Pt weisen aufgrund ihrer großen Oberflächenpotentiale Schottky-Kontakte auf. Weitere Studien sollten durchgeführt werden, um zu bestätigen, ob die potenzielle Modulation unter Gasabsorption auftritt, um den Gassensormechanismus zu verstehen.

Um die asymmetrischen Sperrschichteigenschaften der Bauelemente zu vergleichen, sind die Strom-Spannungs-Kennlinien der Bauelemente mit Al- und Pt-Kontakten über den Gatespannungsbereich von – 15–15 V in Abb. 2a bzw. c gezeigt. Das MoS₂ Gerät mit Al-Kontakt zeigte einen linearen Drainstrom, der viel höher war als der des Geräts mit Pt-Kontakt. Der Strom des Al-Kontakts war mehr als 1000-mal höher als der des Pt-Kontakts. Dies deutet darauf hin, dass der SBH von Geräten mit Metallkontakten mit niedriger Austrittsarbeit gering ist. Um die Wirkung von Metallkontakten auf das MoS₂ . weiter zu untersuchen /Metall-Schnittstelle der Geräte wurden ihre Übertragungseigenschaften bei verschiedenen Vorwärtsspannungen (0,1, 5 und 10 V) gemessen (Abb. 2b, d). In beiden Fällen (Al- und Pt-Kontakte) sind die Übertragungskurven von MoS₂ zeigten die Eigenschaften von n-Typ-Halbleitern, d. h. der Strompegel bei positiven Gatespannungen war höher als bei negativen Gatespannungen [31]. Bei der Source-Drain-Vorspannung von 0,1 V zeigte nur das Gerät mit Al-Kontakt die Ein-Aus-Tendenz. Wenn die Vorspannung auf 5 V erhöht wurde, betrugen die Ein-Aus-Verhältnisse der Al- und Pt-Kontakte ungefähr 10⁶ . und 10³ , bzw. Als sich die Vorspannung 10 V näherte, wurde die Ausschaltfunktion des Geräts mit Al-Kontakt deaktiviert, während das Ein-Aus-Verhältnis des Pt-Kontakts zunahm. Dies legt nahe, dass es zwingend erforderlich ist, geeignete Metallkontakte zu verwenden, um Gassensorgeräte mit der gewünschten Leistung über einen bestimmten Strombereich zu erreichen. Um die Schwellenspannung der Bauelemente zu bestimmen, wurde die Kurve $\sqrt{I_{DS}}$ gegen die Gate-Spannung zu ihren Übertragungskurven hinzugefügt (Abb. 2b, d). Dies liegt daran, dass es einfacher ist, die Schwellenspannung zu messen, indem die Fluktuationen der $\sqrt{I_{DS}}-{V}_g$-Linie geglättet werden. Die durch die $ \sqrt{I_{DS}}-{V}_g $-Linie induzierte Schwellenspannung für das Gerät mit Al-Elektrode betrug etwa − 70 V, während die für das Gerät mit Pt-Elektrode etwa − 30 V betrug ( Abb. 2a, c). Die Schwellenspannung des Geräts mit Al-Kontakt war viel niedriger als die des Geräts mit Pt-Kontakt. Dies ist auf die geringere Schottky-Höhe des Al/MoS₂ . zurückzuführen Schnittstelle im Vergleich zu Pt/MoS₂ Schnittstelle. Außerdem wurde die Schwellenspannung des Bauelements mit Al-Kontakt stark durch die Source-Drain-Spannung moduliert. Andererseits wurde keine signifikante Änderung der Schwellenspannung des Bauelements mit Pt-Kontakt mit der Drain-Source-Spannung beobachtet.

a Leistungskurve und b Übertragungskurve des MoS₂ Gerät mit symmetrischen Al-Al-Elektroden. c Ausgangskurve und d Übertragungskurve des gleichen Geräts mit symmetrischen Pt-Pt-Elektroden

Um die elektrischen Zustände am Metall/MoS₂ . theoretisch zu analysieren Schnittstelle wurden DFT-Rechnungen mit einem MoS₂ . durchgeführt -auf-Al-Konfiguration (Abb. 3a, b). Tabelle 1 listet die Gitterfehlanpassungen und den Abstand h . auf zwischen MoS₂ und die Metallsubstrate. Die in dieser Studie erhaltenen Werte stimmten mit den zuvor berichteten überein [32]. Die Bandstrukturen von MoS₂ mit den Al- und Pt-Substraten sind in Fig. 3c bzw. d gezeigt. Arbeitsfunktion und SBH-Werte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Arbeitsfunktion und SBH-Werte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Arbeitsfunktion von MoS₂ mit Pt-Substrat (5,755 eV) stimmt gut mit früheren Ergebnissen (5,265 eV) überein [32]. Der SBH-Wert für die Vorrichtung mit Al-Substrat war 72% niedriger als der für die Vorrichtung mit Pt-Substrat. Der Grund für die SBH-Differenz ergibt sich aus der Austrittsarbeitsdifferenz zwischen Al und Pt; Die Austrittsarbeit von Al ist 64% niedriger als die von Pt. [33] Somit können asymmetrische Al/Pt-Kontaktsysteme als Dioden fungieren.

a , b Die 3D-Modelle von MoS₂ auf Al- und Pt-Substraten, die in DFT-Rechnungen verwendet wurden. c , d Die Bandstrukturen dieser Modelle. Grüne Linien zeigen die eingestellte Fermi-Energie an, indem Null als Austrittsarbeit des Vakuumniveaus genommen wird. Blaue Striche entsprechen den Energiebändern des einschichtigen MoS₂ . Die Differenz zwischen dem Wert der grünen Linien und dem Mindestwert der blauen Striche auf der Leitungsbandseite beträgt SBH [38]

Um die Leistung asymmetrischer Al/Pt-Systeme weiter zu untersuchen, haben wir asymmetrische Al/Pt-Metallelektroden auf MoS₂ . hergestellt Schottky-Geräte. Abbildung 4a zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien des MoS₂ Geräte mit Al-Al-, Pt-Pt-, Al-Pt- und Pt-Al-Kontakten (in der Reihenfolge von Source und Drain). Im Gegensatz zur symmetrischen Kurve der Al-Al- und Pt-Pt-Bauelemente zeigte die asymmetrische Diode gleichrichtende Eigenschaften in Richtung des MoS₂ /Al-Kontakt. Um den Effekt des Ladungstransfers auf die Leistung der Bauelemente zu untersuchen, haben wir ihre Drain-Ströme als Funktion der Gate-Vorspannung beobachtet (Abb. 4b). Die der Source-Drain-Spannung entsprechenden Übertragungskurven wurden ebenfalls erhalten (Abb. 4c). Abbildung 4c zeigt, dass sich die Schwellenspannung mit einem Anstieg der Source-Drain-Spannung von 40 auf – 40 V verschoben hat. Ein ähnlicher Trend wurde im Fall der symmetrisch Al-kontaktierten Vorrichtung beobachtet. Dies impliziert, dass das Al/MoS₂ Kontaktseite beeinflusste den Trägertransport des Geräts stärker als das Pt/MoS₂ Kontaktseite.

a I-V_DS Kurve des MoS₂ Gerät mit symmetrischen Elektroden (Al-Al, Pt-Pt) und asymmetrischen Elektroden (Al-Pt). b Transferkurve und c Ausgangskurve der asymmetrischen Geräte

Die Echtzeit-Gasantwort des MoS₂ Die Schottky-Diode wurde gemessen, um ihre Schottky-Barriere-Modulation mit Ladungstransfer zu beobachten. Die Gasempfindlichkeit der Diode wurde mit folgender Gleichung berechnet:

$$ \frac{\Delta R}{R_{\mathrm{Luft}}}=\frac{R_{\mathrm{Gas}}-{R}_{\mathrm{Luft}}}{R_{\mathrm{ Luft}}} $$

wo R _Luft und R _Gas repräsentieren den Widerstand des MoS₂ Schottky-Diode unter Umgebungs- bzw. Gaseinwirkungsbedingungen. Abbildung 5 zeigt die Gassensorfähigkeit (Änderung des Widerstands mit der Zeit) des MoS₂ Schottky-Gerät für NO_x und NH₃ Moleküle (10, 20 und 30 ppm) bei einer angelegten Source-Drain-Vorspannung von 3 V. Da NO_x ein starker Elektronenakzeptor und somit ein p-dotierendes Material ist, erhöht sich der Widerstand der Vorrichtung mit einer Zunahme der Gasexposition aufgrund der negativen Ladungsinjektion an der Grenzfläche von MoS₂ [34]. Die p-Dotierung von MoS₂ erhöhte seine Schottky-Barriere, was wiederum den Kontaktwiderstand am MoS₂ . erhöhte /Metall-Schnittstellen. Die Gasabsorptionsabhängigkeit der Signalantwort wurde ebenfalls beobachtet. Die Empfindlichkeit des Geräts nahm mit steigender Gaskonzentration zu, was auf eine Zunahme des Ladungstransfers hinweist. Der Widerstand des Geräts hingegen nahm ab, wenn es NH₃ . ausgesetzt wurde (Abb. 5c). Dies liegt daran, dass NH₃ spendet Elektronen an MoS₂ , wodurch seine Schottky-Barriere verringert wird [35]. Die gemessene Gasempfindlichkeit von NH₃ war viel niedriger als NO_x , was darauf hinweist, dass der Ladungstransfer in Gegenwart von NH₃ war niedriger als in Gegenwart von NO_x [36]. Darüber hinaus wurde auch nach der Stromschwankung in jedem Schritt eine leichte Abhängigkeit der Gaskonzentration beobachtet. Mit einem Anstieg des NH₃ Konzentration verringerte sich der Widerstand des Geräts. Dies liegt daran, dass der MoS₂ /Al-Grenzfläche zeigte niedrigere SBH-Werte bei höherem NH₃ Konzentrationen. Um diese Ergebnisse theoretisch zu bestätigen, haben wir den SBH des MoS₂ . berechnet /Al-Grenzfläche, die mit verschiedenen Arten von Gasmolekülen in Kontakt stand (Abb. 5d). Kang et al. zuvor diskutiert über die Schottky-Barriere-Theorie von MoS₂ /Metallkontakt und erläuterte den Trägertransport durch die Kontaktseite anhand von drei Modelltypen [37]. Gemäß dem in diesem Papier veranschaulichten Banddiagramm tritt die Schottky-Barriere-Modulation an der Grenze von Elektrode und Kanal auf. Daher haben wir die Verbundstruktur mit einer gleichmäßig verteilten Schottky-Barriere entwickelt, um die Beobachtung der Schottky-Barriere-Modulation gemäß der Gasabsorption zu erleichtern. Das Modell wird jedoch nicht auf alle Situationen angewendet. Typ 3 zeigte, dass an der direkt kontaktierten Grenzfläche von MoS₂ . keine Schottky-Barriere gebildet wurde und Metall wegen des starken Metallisierungseffekts. Die Metalle, die eine starke Haftung mit MoS₂ . haben wie Ti und Mo werden als Typ 3 klassifiziert. Zur Untersuchung verschiedener Kontakteffekte im Metall/MoS₂ Composite, sollte sorgfältig überlegt werden, die Modellstruktur zu entwerfen (Zusatzdatei 1:Abbildung S1 und S2). Für die Berechnung der Barrierehöhe wurde nur die Al-Seite gewählt, da die Barriere mit Pt-Elektrode den Ladungsträgertransport unter der Vorwärtsspannung nicht störte. NEIN₂ und NH₃ wurden für die Modulation der Schottky-Barriere des MoS₂ . ausgewählt /Al-Schnittstelle. Diese Schottky-Barriere wurde mit der im unberührten Zustand beobachteten verglichen (Tabelle 1). Die theoretisch berechneten Barrierehöhen für NO₂ und NH₃ waren 0,16 bzw. 0,13 eV. Dieses Ergebnis zeigt, dass NO₂ und NH₃ induzierte Ladungsübertragung in verschiedene Richtungen. Die Schottky-Barriere wurde stärker von NO₂ . beeinflusst als durch NH₃ . Diese Ergebnisse stimmten mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die Ergebnisse zeigen auch, dass MoS₂ Schottky-Dioden haben großes Potenzial für den Einsatz in Gassensorgeräten der nächsten Generation.

a Schematische Darstellung von MoS₂ und die Gasmoleküle, die für die Simulation verwendet wurden. b , c Die Widerstandsänderungen des MoS₂ Schottky-Diode bei NO_x und NH₃ Belichtung bzw. d Theoretisch berechneter SBH des MoS₂ /Metall-Grenzfläche unter Umgebungs- und Gaseinwirkungsbedingungen (NO, NO₂ , und NH₃ )

Schlussfolgerung

In dieser Studie haben wir den Einfluss des Kontaktmaterials auf die Eigenschaften von MoS₂ . untersucht asymmetrische FETs unter Umgebungsbedingungen und Gaseinwirkungsbedingungen. Die KPFM-Ergebnisse zeigten, dass Pt die höchste Austrittsarbeit hatte, gefolgt von MoS₂ und Al. Die DFT-Ergebnisse sagten voraus, dass die SBH des MoS₂ /Metall-Grenzfläche war für das Metall mit höherer Austrittsarbeit höher. Dies stimmt mit den experimentellen Ergebnissen überein, die für die in dieser Studie hergestellten symmetrischen (Al-Al und Pt-Pt) und asymmetrischen (Al-Pt) FETs erhalten wurden. Die Aufnahme von NO_x führte zu einer starken Gasantwort und zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands des Geräts. Bei NH₃ . wurden gegenläufige Trends beobachtet . Diese Ergebnisse stimmten mit den theoretisch berechneten SBH-Werten überein. Diese Studie betont, wie wichtig es ist, geeignete Metallkontakte für die Entwicklung von MoS₂ . auszuwählen Gassensoren mit gewünschter Leistung.