Durch Dehnung und elektrische Felder steuerbare Schottky-Barrieren und Kontakttypen in Graphen-MoTe2-van-der-Waals-Heterostruktur

Einführung

Zweidimensionale (2D) geschichtete Kristalle haben aufgrund ihrer neuartigen physikalischen Eigenschaften und potentiellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen seit der Entdeckung von Graphen zunehmendes Interesse auf sich gezogen [1]. In verschiedenen 2D-Materialien wurden unkonventionelle Merkmale und Leistung entdeckt, wie der halbzahlige Quanten-Hall-Effekt [2], Kleintunneln [3] und Supraleitung [4]. Für Graphen behindert jedoch die Dirac-Bandstruktur ohne Bandlücke nahe dem Fermi-Niveau seine direkten Anwendungen in Transistoren. Dies hat die Suche nach alternativen Materialien aus anderen 2D-Materialien [5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] mit vielseitigen Eigenschaften angeregt, unter denen geschichtete Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) große Aufmerksamkeit gefunden haben . Die Bandlücken von TMDs können von etwa 0,8 eV bis 2,0 eV abgestimmt werden und sind mit denen konventioneller Halbleiter vergleichbar, was TMDs besonders gute Kandidaten für optoelektronische Anwendungen ermöglicht. Ähnlich wie Graphit sind die meisten TMDs Schichtstrukturmaterialien mit Van-der-Waals (vdW)-Wechselwirkung zwischen den Schichten und können daher auf wenige Schichten oder eine einzelne Schicht abgeblättert werden [15, 16]. Es wurde festgestellt, dass TMDs dickenabhängige Eigenschaften haben und einen indirekten-direkten Bandlückenübergang erfahren würden [16, 17], wenn sie von Volumen zu wenigen Schichten oder Monoschichten geändert werden. Monolayer-TMDs haben mehrere Strukturen, wie H-Phasen und T-Phasen (oder T′-Phasen), während die H-Phasen normalerweise halbleitende Eigenschaften aufweisen.

Als Mitglied von TMDs, Bulk-MoTe₂ enthält drei interessante Phasen:hexagonale (2H, halbleitende) Phase [18], monokline (1 T′, metallische) Phase [19] und oktaedrische (T_d , Typ II Weyl-Halbmetall)-Phase [20, 21], in der die 2H-Phase die stabilste ist. 2H-Phasen-MoTe₂ hat eine indirekte Bandlücke von etwa 1.0 eV für Bulk und eine direkte Bandlücke von etwa 1.1 eV für Monolagen [22, 23], was darauf hinweist, dass die Bandlücke nahezu unabhängig von der Anzahl der Schichten ist und für die nahe -Infrarot-Fotodetektoren. Der Einfachheit halber wird im folgenden Text 2H-MoTe₂ wird einfach als MoTe₂ bezeichnet . Im Vergleich zu anderen TMDs, MoTe₂ hat viele Vorteile, zum Beispiel ist die Leitfähigkeit niedriger [24], der Seebeck-Koeffizient ist höher [24] und die Erfassungsfähigkeiten sind besser [18, 25]. Die Vorteile von MoTe₂ kombinieren und Graphen, Herstellung einer Art Heterostruktur durch Graphen und MoTe₂ für Geräteanwendungen in Betracht gezogen werden. Tatsächlich haben in letzter Zeit vertikale Heterostrukturen auf der Basis von 2D-Schichtstrukturmaterialien aufgrund des Fehlens baumelnder Bindungen an den Oberflächen isolierter Komponenten und schwacher Femi-Level-Pinning. Für Graphen-TMDs-basierte vertikale Heterostrukturen haben Experimente ihr ausgezeichnetes hohes Ein-Aus-Verhältnis, hohe Photoreaktion, niedrigen Dunkelstrom und gute Quanteneffizienz [34,35,36,37,38] im Vergleich zu einfachen TMDs bestätigt -basierte Typen. Obwohl die meisten der berichteten Graphen-TMD-basierten vertikalen Heterostrukturen mit anderen TMDs wie MoS₂ . aufgebaut sind , einige Experimente haben das Graphen-MoTe₂ . untersucht Heterostruktur [39,40,41,42,43] aufgrund der einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften von MoTe₂ . Es wurde berichtet, [39] dass das An-Aus-Verhältnis von Graphen-MoTe₂ vertikale Heterostruktur ist so hoch wie ~(0.5 − 1) × 10 ⁻⁵ , und die Fotoempfindlichkeit kann 20 mAW ⁻¹ . erreichen , die mit den entsprechenden Werten von Graphen-MoS₂ . vergleichbar sind Gerät. Später basierend auf Graphen-MoTe₂ -Graphene vertikale vdW-Heterostruktur, ein Nahinfrarot-Photodetektor wurde hergestellt [40, 42] mit einer überlegenen Leistung, einschließlich hoher Photoempfindlichkeit, hoher externer Quanteneffizienz, schneller Ansprech- und Erholungsprozesse und frei von einer externen Source−Drain-Stromversorgung im Vergleich zu andere geschichtete Halbleiter-Photodetektoren. Dann ein Graphen-MoTe₂ Es wurde über einen vdW-Vertikaltransistor berichtet, der geeignete V-förmige ambipolare Eigenschaften aufweist [41]. Daher ist das Graphen-MoTe₂ Heterostrukturen sind vielversprechende Kandidaten für optoelektronische Nanovorrichtungen mit hoher Ansprechempfindlichkeit, hoher Geschwindigkeit und Flexibilität. In diesem Sinne ist eine theoretische Untersuchung von Graphen-MoTe₂ . unabdingbar vertikale Heterostruktur, die noch nicht beschrieben wurde.

Für die Metall-Halbleiter-Heterostruktur muss der Kontakttyp (Schottky-Kontakt oder Ohmscher Kontakt) berücksichtigt werden, da er das Vorhandensein von Gleichrichtungseigenschaften für die Heterostruktur bestimmt oder nicht. Für den Schottky-Kontakt würde die Schottky-Barrierehöhe (SBH) eine Schlüsselrolle für das Verhalten der entsprechenden Bauelemente spielen [44] und wurde intensiv untersucht. Um eine hohe Leistung für tatsächliche Geräteanwendungen zu erreichen, wäre es wünschenswert, dass SBH abgestimmt werden kann. Es wurden viele Strategien vorgeschlagen, um die SBH zu modulieren, unter denen das Anlegen eines externen elektrischen Felds und eine biaxiale Dehnung die gebräuchlichsten Methoden sind.

In diesem Papier, basierend auf First-Principles-Rechnungen, elektronischer Struktur und externer elektronischer Feld- und Dehnungsabhängigkeit des SBH von Graphen-MoTe₂ Heterostruktur untersucht. Die berechneten Ergebnisse zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften von Graphen und MoTe₂ Monolagen bleiben recht gut erhalten, nachdem sie vertikal als Heterostruktur gestapelt wurden. Die Schottky-Barriere der Heterostruktur kann zwischen p Typ und n Typ durch Anlegen eines externen elektrischen Felds oder einer externen Belastung, und die Heterostruktur kann sogar den Ohmschen Kontakt erreichen, wenn das externe elektrische Feld oder die externe Belastung stark genug ist.

Rechenmethoden

First-Principle-Rechnungen wurden mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [45,46,47] auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt. Die Pseudopotentiale des Projektors Augmented Wave (PAW) [48] wurden verwendet, um die Ion-Elektron-Wechselwirkung zu modellieren, und die Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) Generalized Gradient Approximation (GGA) [49] wurde verwendet, um die Elektronenaustauschkorrelation zu behandeln. Für alle Berechnungen wird das DFT-D2 [50]-Verfahren von Grimme verwendet, das den vdW-Wechselwirkungsterm darstellt, und die Grenzenergie der ebenen Welle wird auf 600 eV eingestellt. Der Konvergenzschwellenwert ist auf 10 ^–6 . eingestellt eV für Energie und 0,01 eV/Å für Kraft. Die Brillouin-Zone k -point mesh wird innerhalb des Monkhost-Pack-Schemas als 9 × 9 × 1 festgelegt. Ein Vakuumraum von 25 Å entlang der z Richtung wird gewählt, um die Wechselwirkung zwischen den benachbarten Schichten zu vermeiden. Es zeigte sich, dass der Spin-Bahn-Kopplungseffekt auf die Bandstrukturen von 2H-MoTe₂ sehr schwach ist [51], berücksichtigen alle Berechnungen die Spin-Bahn-Kopplung nicht.

Das Graphen-MoTe₂ Heterostruktur besteht aus Graphen und MoTe₂ Monolayer durch Stapeln der beiden 2D-Materialien entlang der vertikalen Richtung. Sowohl Graphen als auch MoTe₂ nehmen das hexagonale Gitter an und ihre Gitterparameter sind 2.46 Å [52] bzw. 3.52 Å [53]. Daher ist die Gitterfehlanpassung geringer als das vorherige Kriterium von 5%. Nach den Strukturen von Graphen und MoTe₂ Monoschicht werden hier drei typische Stapelmodi betrachtet:HS-1, HS-2 und HS-3, die in Abb. 1 gezeigt sind Graphengitter; für HS-2 sitzt ein Te-Atom unter einem C-Atom-Platz des Graphengitters; für HS-3 sitzt ein Te-Atom unter einem anderen nichtäquivalenten C-Atom des Graphengitters.

Draufsicht und Seitenansicht von drei typischen Stapelmodi für das Graphen-MoTe₂ Heterostruktur:(a ) HS-1, (b ) HS-2, (c ) HS-3. Die grauen, rosa und grünen Kugeln repräsentieren die Kohlenstoff-, Molybdän- bzw. Telluratome

Wenn die Dehnungsabhängigkeit des SBH untersucht wird, wird die Dehnung gleichmäßig entlang der Zickzack- bzw. Sesselrichtung des Graphens aufgebracht.

Ergebnisse und Diskussion

Die Gitterkristallstrukturen für MoTe₂ Monolayer und drei typische Stapelmodi (HS-1, HS-2 und HS-3) des Graphen-MoTe₂ Heterostruktur wurden alle vollständig optimiert. Die erhaltenen Bindungsenergien der drei typischen Stapelmoden sind alle nahezu gleich, d. h. −0.85 eV, während die Gleichgewichtszwischenschichtabstände der drei Moden alle ungefähr gleich 3.53 Å sind. Daher konzentrieren wir uns ausschließlich auf das HS-1-Graphen-MoTe₂ Heterostruktur für die folgende Diskussion und lasse "HS-1" der Einfachheit halber im folgenden Text weg. Die optimierten Geometriestrukturen von MoTe₂ Monoschicht und Graphen-MoTe₂ Heterostruktur sind in Abb. 2 gezeigt. Offensichtlich ist MoTe₂ Monolayer nimmt das hexagonale Gitter an und die optimierte Gitterkonstante beträgt 3.52 Å, was mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt [53, 54]. Deutlich zu erkennen an der Bandstruktur von MoTe₂ Monoschicht, wie in Abb. 3 gezeigt, dass MoTe₂ monolayer ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 1,14 eV, was auch mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt [22, 23]. Wenn Graphen und MoTe₂ Monolayer vertikal als Heterostruktur gestapelt sind, beträgt der Gleichgewichtsabstand zwischen den Schichten 3,53 Å, was mit dem Wert von Sb-MoTe₂ . vergleichbar ist Heterostruktur (ca. 3.94 Å) [55]. Aus Abb. 2 ist auch ersichtlich, dass die geometrischen Strukturen des MoTe₂ Schicht und Graphenschicht im Graphen-MoTe₂ Heterostruktur bleibt fast gleich wie die ursprüngliche Struktur von MoTe₂ Monoschicht und Graphen, was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Schichten schwach ist. Die Bindungsenergie von Gleichgewichtsstrukturen –0.85 eV ist niedriger als die von Sb-MoTe₂ Heterostruktur (ca. −0.37 eV) [55], daher ist die Heterostruktur energetisch stabil. Sowohl der Gleichgewichtsabstand zwischen zwei Schichten als auch die Bindungsenergie sind vergleichbar mit denen von typischen vdW-Graphen-basierten Heterostrukturen, wie Graphen-hydriertem Phosphorcarbid [56], Graphen-AsSb [29], Graphen-SMoSe und Graphen-SeMoS [30] , und Graphen-Phosphoren [57], was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung zwischen MoTe₂ und Graphen ist ein schwacher vdW-Typ.

Draufsicht und Seitenansicht der optimierten Strukturen von (a ) MoTe₂ Monoschicht und (b ) Graphen-MoTe₂ Heterostruktur. Die grauen, rosa und grünen Kugeln repräsentieren die Kohlenstoff-, Molybdän- bzw. Telluratome. Die blauen Parallelogramme bezeichnen die 2D-Elementarzellen

Elektronische Bandstruktur von MoTe₂ Monoschicht. Der hellblaue Bereich repräsentiert die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband

Tatsächlich würde die Ladungsumverteilung und -übertragung unweigerlich erfolgen, wenn Graphen und MoTe₂ Monolayer werden gestapelt, um die Heterostruktur zu bilden. Der 3D-Ladungsdichteunterschied im Graphen-MoTe₂ Heterostruktur definiert als Δρ = ρ _H − ρ _G − ρ _MT berechnet wurde, wobei ρ _H , ρ _G , und ρ _MT sind die Ladungsdichten von Heterostruktur, isoliertem Graphen und MoTe₂ Monoschicht bzw. Das Ergebnis ist in Fig. 4a gezeigt, in der die blauen und dunkelrosa Bereiche die Ladungsakkumulation bzw. -verarmung darstellen. Offensichtlich liegt die blaue Region direkt unter dem MoTe₂ Schicht, was darauf hinweist, dass sich die Elektronen um das MoTe₂ . ansammeln Schicht; während die Graphenschicht von dem dunkelrosa Bereich umgeben ist, was bedeutet, dass sich die Löcher um die Graphenschicht herum ansammeln. Um die Eigenschaft des Ladungstransfers deutlicher zu sehen, ist der planare Durchschnitt 〈∆ρ 〉, der als Mittelwert der 3D-Ladungsdichtedifferenz definiert ist Δρ in Flugzeugen mit z =konst. die parallel zur Graphenschicht verlaufen, ist in Abb. 4a als blaue Linie dargestellt, wobei die negativen und positiven Werte die Elektronenverarmung bzw. -akkumulation darstellen. Das Ergebnis bestätigt, dass einige Elektronen von der Graphenschicht auf MoTe₂ . übertragen werden Schicht, und es gibt Schwingungen in 〈∆ρ 〉 sowohl in Graphen als auch in MoTe₂ Schicht. Die Elektronenlokalisierungsfunktion (ELF) ist auch in Abb. 4b aufgetragen, aus der ersichtlich ist, dass sich die Form der ELF um das Te-Atom nahe der Graphenschicht offensichtlich von der um das Te-Atom auf der anderen Seite unterscheidet, was darauf hindeutet, dass Existenz einer Zwischenschicht-vdW-Wechselwirkung in der Heterostruktur.

a Die 3D-Ladungsdichtedifferenz und die durchschnittliche Ladungsdichtedifferenz (blaue Linie) als Funktion der Position im Graphen-MoTe₂ Heterostruktur entlang der z Richtung, wobei die blauen und dunkelrosa Bereiche die Ansammlung bzw. den Mangel an Elektronen bezeichnen. Die horizontale gestrichelte Linie markiert die zentrale Position zwischen der Graphenschicht und MoTe₂ Schicht. b Elektronenlokalisierungsfunktion des Graphen-MoTe₂ Heterostruktur mit dem Isowert 0.7

Viele physikalische Eigenschaften werden durch die Bandstrukturen und die Zustandsdichte (DOS) sowie die berechneten Bandstrukturen und DOS des Graphen-MoTe₂ . bestimmt Heterostruktur sind in Fig. 5 gezeigt, wobei das Fermi-Niveau auf Null gesetzt ist. Der Dirac-Kegel der Graphenschicht um das Fermi-Niveau ist noch gut erhalten; jedoch wird eine Bandlücke von etwa 10,6   meV geöffnet. Das heißt, es gibt eine kleine, aber merkliche Zwischenschichtkopplung in der Heterostruktur. Die vom MoTe beigesteuerten Bands₂ Schicht zeigen, dass die Halbleitereigenschaften von MoTe₂ Schicht mit direkter Bandlücke bleiben erhalten. Die Bandlücke von MoTe₂ Schicht beträgt 0,85 eV in der Heterostruktur, was gegenüber dem Ergebnis von 1,14 eV für das isolierte MoTe₂ . verändert ist Monoschicht. Auffallend in Abb. 5 ist, dass die Bandstruktur als einfache Summe der Bänder isolierter Schichten aufgefasst werden kann. Es überrascht nicht, dass die Wechselwirkung zwischen der Graphenschicht und dem MoTe₂ Schicht nicht ausreicht, um die Eigenschaften der Bandstruktur jeder Komponente in der Heterostruktur zu modifizieren, so dass der Wechselwirkungseffekt zwischen den Schichten auf die Bandstruktur sehr schwach ist. Dies deutet weiter darauf hin, dass die vdW-Interaktion zwischen MoTe₂ . dominiert -Schicht und Graphenschicht in der Heterostruktur und erhalten so die intrinsischen Schlüsseleigenschaften.

Bandstrukturen und partielle Zustandsdichte der Graphenschicht und MoTe₂ Schicht im Graphen-MoTe₂ Heterostruktur

Die Kontakteigenschaften von Heterostrukturen sind für Geräteanwendungen von Bedeutung. Ein Graphen-MoTe₂ Ein Transistor auf Heteroübergangsbasis wurde entworfen, und das schematische Diagramm ist in Fig. 6a gezeigt, wo der MoTe₂ Monolayer wird als Kanalmaterial und Graphen sowohl als Source- als auch als Drain- und Gate-Elektrode verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeiten von Metall und Halbleiter kommt es an der Grenzfläche zu einer Bandkrümmung, die durch die Fermi-Niveaudifferenz (ΔE _F ), definiert durch ΔE _F = W _G − MT − W _MT , wobei W _G − MT und W _MT sind die Austrittsarbeiten der Heterostrukturen und das entsprechende MoTe₂ Monoschicht bzw. Das berechnete W _G − MT und W _MT 4,36 eV bzw. 4,84 eV betragen, wie in Fig. 6b gezeigt. Die Ergebnisse stimmen mit den experimentellen Werten überein [39]. Folglich ist die Bandbiegung (ΔE _F ) beträgt etwa 0,48 eV in der Heterostruktur, was mit dem Ergebnis einer Graphen-hydrierten Phosphorcarbid-Heterostruktur vergleichbar ist [56].

a Das schematische Diagramm eines Graphen-MoTe₂ Transistor auf Heterostrukturbasis. b Bandausrichtung von Graphen-MoTe₂ Heterostruktur in Bezug auf das Vakuumniveau, wobei der rote Kegel die Position des Dirac-Punkts der Graphenschicht in der Heterostruktur darstellt. CBM und VBM repräsentieren das Leitungsband-Minimum bzw. das Valenzband-Maximum. W _G-MT und W _MT sind die Austrittsarbeiten von Graphen-MoTe₂ Heterostruktur und MoTe₂ Monoschicht bzw.

Eine der wichtigsten Kontakteigenschaften von Metall-Halbleiter-Heterostrukturen ist die Schottky-Barriere an der vertikalen Grenzfläche (zwischen der Graphenschicht und dem MoTe₂ Schicht), die den Stromfluss über die Grenzfläche von Heterostrukturen bestimmt und somit eine bedeutende Rolle bei der entsprechenden Geräteleistung spielt. Im Allgemeinen wird SBH nach den Halbleitertypen in Heterostrukturen unterteilt in n Typ und p Typ bzw. Die n Typ SBH (Φ _Bn ) ist definiert als die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsbandminimum (CBM) des Halbleiters (E _C ) und das Fermi-Niveau des Metalls (E _F ), d. h. Φ _Bn = E _C − E _F . Die p Typ SBH (Φ _Bp ) ist definiert als die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau des Metalls und dem Valenzbandmaximum (VBM) des Halbleiters (E _V ), d. h. Φ _Bp = E _F − E _V . Die SBH-Ergebnisse des Graphen-MoTe₂ Heterostruktur ist in Fig. 6b gezeigt. Aufgrund des Ladungstransfers bewegt sich das Fermi-Niveau von der Valenzbandseite des MoTe₂ Monoschicht zur Leitungsbandseite von MoTe₂ Schicht in der Heterostruktur, was bedeutet, dass die SBH der Heterostruktur n . ist Typ mit dem Wert von etwa 0,33 eV an der Schnittstelle. Das heißt, die Ladungsleitung der Heterostruktur erfolgt hauptsächlich durch Elektronen.

Um die Leistung von Transistoren auf Heterostrukturbasis zu verbessern, wäre es wünschenswert, den SBH abzustimmen. Es wird gezeigt, dass die SBH durch Anlegen eines externen elektrischen Felds und einer Dehnung in der Ebene abgestimmt werden kann [29, 30, 58]. Es wurde eine Reihe von Berechnungen für die Bandstruktur der Heterostruktur unter verschiedenen externen elektrischen Feldern durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt, wo die Richtung für das positive externe elektrische Feld vom MoTe₂ Schicht zur Graphenschicht, während der negative Wert in der entgegengesetzten Richtung liegt. In der Schottky-Kontaktregion Φ _Bn weist eine annähernd lineare Beziehung nach oben mit dem elektrischen Feld auf, während Φ _Bp verhält sich umgekehrt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die positiven und negativen elektrischen Felder eine Verschiebung des Fermi-Niveaus in Richtung VBM und CBM des MoTe₂ . ermöglichen Schicht in der Heterostruktur bzw. Unter dem negativen elektrischen Feld Φ _Bn ist kleiner als Φ _Bp ständig, was darauf hinweist, dass die Schottky-Barriere n . ist Typ. Wenn das positive elektrische Feld etwas größer als Null ist, Φ _Bn beginnt größer als Φ . zu sein _Bp , was bedeutet, dass die Schottky-Barriere von n . geändert wird tippe in p tippe am Graphen-MoTe₂ Schnittstelle. Es ist offensichtlich, dass die Bandlücke (ungefähr gleich der Summe von Φ _Bn und Φ _Bp ) des MoTe₂ Unter dem äußeren elektrischen Feld bleibt die Schicht fast konstant, was bedeutet, dass das äußere Feld nur einen geringen Einfluss auf die unberührten elektronischen Eigenschaften hat. Dies kann wie folgt verstanden werden:Obwohl das äußere elektrische Feld die Energieeigenwerte des Valenzelektrons wie CBM und VBM ändern kann, bleiben ihre relativen Werte unverändert, was dazu führt, dass die Bandlücke konstant bleibt. Mit anderen Worten, das externe elektrische Feld konnte die Bandstruktur außer der Bandbiegung nicht ändern. Aus Fig. 7 ist auch klar ersichtlich, dass der SBH negativ wird, wenn das positive elektrische Feld größer als 1,0 V/nm ist, was bedeutet, dass Elektronen aus Graphen in MoTe₂ . injiziert würden ohne Barriere, was darauf hindeutet, dass MoTe₂ besitzt eine metallische Leitfähigkeit und realisiert somit einen Schottky-zu-Ohm-Kontaktübergang. Für das negative elektrische Feld, wenn die Intensität 1,0 V/nm überschreitet, könnte die Heterostruktur auch auf den Ohmschen Kontakt abgestimmt werden. Alle diese Ergebnisse zeigen, dass das Anlegen eines externen elektrischen Felds eine effektive Strategie ist, um die SBH und den Kontakttyp für das Graphen-MoTe₂ . zu modulieren Heterostruktur.

Die Höhe der Schottky-Barriere von Graphen-MoTe₂ Heterostruktur als Funktion des äußeren elektrischen Feldes. Die blauen und roten Bereiche kennzeichnen den Schottky-Kontakt als p Typ und n Typ bzw. Der graue Bereich markiert den Ohmschen Kontaktbereich

Der SBH als Funktion der biaxialen Dehnung in der Ebene wird ebenfalls berechnet und die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Für die Anwendung der biaxialen Dehnung wird der z Koordinate der Te-Atome werden entspannt, während die Positionen anderer Atome nach Änderung der Größe der Elementarzelle fest bleiben. Es wird gezeigt, dass Spannung auch die SBH der Heterostruktur zwischen n Typ und p Typ und treiben die Heterostruktur an, um sich dem Ohmschen Kontakt zu nähern. Das Verhalten der Dehnungsabhängigkeit von SBH unterscheidet sich stark von dem der Abhängigkeit vom elektrischen Feld. Die Situation wird viel komplexer. Für einen großen Dehnungsbereich, Φ _Bn ist kleiner als Φ _Bp , während nur in einem engen Zugspannungsbereich Φ _Bp unterhält kleiner als Φ _Bn . Das heißt, der Dehnungsbereich von n -Typ SBH (die Dehnung beträgt etwa -10 ~ 4%) ist viel breiter als die des p Typ (ungefähr 4 ~ 7%). Wenn die Zugspannung 7% erreicht und die Druckspannung 10% erreicht, erscheint auch der Ohmsche Kontakt für die Heterostruktur. Es ist erwähnenswert, dass die Bandlücke des MoTe₂ Schicht in der Heterostruktur würde sich stark mit der Variation der Spannung in der Schottky-Kontaktzone ändern, die sich stark von den Ergebnissen des Falles des elektrischen Feldes unterscheidet. Unter Spannung würden die Gitter vom Gleichgewichtszustand abweichen und so die Bandstruktur verändern. Tatsächlich würde sich nicht nur der Wert der Bandlücke, sondern auch die Art der Bandlücke (direkt oder indirekt) durch Dehnung ändern. Für kleine Belastungen, MoTe₂ Schicht bleibt eine direkte Bandlücke, während sie sich für große Dehnungen in eine indirekte Bandlücke ändert. An dieser Stelle sollte darauf hingewiesen werden, dass für einen realen Transistor die tatsächlichen Bedingungen zur Realisierung des Schottky-zu-Ohm-Kontaktübergangs aufgrund der tatsächlichen Situationen von den berechneten Ergebnissen etwas abweichen können.

Die Höhe der Schottky-Barriere von Graphen-MoTe₂ Heterostruktur als Funktion der Dehnung. Die blauen und roten Bereiche kennzeichnen den Schottky-Kontakt als p Typ und n Typ bzw. Der graue Bereich markiert den Ohmschen Kontaktbereich

Die obigen Ergebnisse legen nahe, dass sowohl das Anlegen eines externen elektrischen Felds als auch die biaxiale Dehnung in der Ebene wirksame Methoden sind, um SBH und die Art des Kontakts von Graphen-MoTe₂ . zu kontrollieren Heterostruktur, die für den Entwurf von 2D-vdW-Heterostruktur-basierten Feldeffekttransistoren unverzichtbar ist. Darüber hinaus ist das Graphen-MoTe₂ Heterostruktur kann für abstimmbare Schottky-Dioden in nanoelektronischen und optoelektronischen Geräten verwendet werden.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bandstrukturen des Graphen-MoTe₂ Heterostruktur unter verschiedenen elektrischen Feldern und biaxialen Dehnungen wurden auf der Grundlage von First-Principle-Rechnungen systematisch untersucht. Die elektronischen Strukturen von Graphen und MoTe₂ sind gut erhalten, nachdem sie entlang der vertikalen Richtung gestapelt wurden, was darauf hindeutet, dass die Zwischenschichtwechselwirkung der Heterostruktur zum vdW-Typ gehört. Das Fermi-Niveau bewegt sich jedoch in Richtung CBM des MoTe₂ Schicht nach Bildung der Heterostruktur, d. h. die Schottky-Kontakte sind n Typ mit 0,33 eV SBH. Der SBH und die Art der Kontakte an der Heterostruktur-Grenzfläche können durch Anlegen eines externen elektrischen Felds oder einer Belastung effektiv moduliert werden. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, beträgt in der Schottky-Kontaktregion die n Typ SBH weist eine ungefähr aufwärts gerichtete lineare Beziehung zum elektrischen Feld auf und p Typ SBH verhält sich umgekehrt. Die Heterostruktur kann auf den Ohmschen Kontakt für ein elektrisches Feld abgestimmt werden, das sowohl auf der positiven als auch auf der negativen Seite größer als 1,0 V/nm ist. Beim Anlegen einer biaxialen Dehnung ist die Situation komplexer als im Fall des elektrischen Felds. Der Dehnungsbereich von n Typ SBH ist viel breiter als der des p Typ. Wenn die Zugspannung 7 % oder die Druckspannung 10 % erreicht, erscheint auch der Ohmsche Kontakt. Alle Ergebnisse zeigen, dass das Anlegen eines elektrischen Felds oder einer Spannung eine gute Möglichkeit ist, den SBH sowie die Kontaktart der Heterostruktur zu kontrollieren, sogar das System in den Ohmschen Kontakt zu treiben. Diese Merkmale sind für die Entwicklung hochleistungsfähiger nanoelektronischer und optoelektronischer Geräte von großer Bedeutung.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind in dem Artikel enthalten, und weitere Informationen zu den Daten und Materialien können dem Interessenten auf begründete Anfrage an den korrespondierenden Autor zur Verfügung gestellt werden.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide

vdW:

Van der Waals

SBH:

Höhe der Schottky-Barriere

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

PAW:

Projektor-verstärkte Welle

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Verallgemeinerte Gradienten-Approximation

DOS:

Dichte der Zustände

CBM:

Leitungsband-Minimum

VBM:

Valenzband-Maximum