Tuning von Schottky-Barrieren und Kontakttypen in Graphen-MoTe₂ van-der-Waals-Heterostrukturen durch Dehnung und elektrische Felder

Zusammenfassung

Zweidimensionale (2D) Übergangsmetall-Dichalkogenide mit intrinsisch passivierten Oberflächen sind vielversprechende Kandidaten für ultradünne optoelektronische Bauelemente, deren Leistung stark durch den Kontakt mit metallischen Elektroden beeinflusst wird. Hier werden Erstprinzip-Rechnungen verwendet, um die elektronischen und interfacialen Eigenschaften von 2D MoTe₂ in Kontakt mit einer Graphenelektrode zu konstruieren und zu untersuchen, indem deren Vorteile voll ausgeschöpft werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften von Graphen- und MoTe₂-Schichten in Heterostrukturen aufgrund der schwachen van-der-Waals-Zwischenschicht-Wechselwirkung gut erhalten bleiben, und das Ferminiveau sich zum Leitungsbandminimum der MoTe₂-Schicht verschiebt, wodurch ein n-Typ-Schottky-Kontakt an der Grenzfläche entsteht. Interessanterweise können die Schottky-Barrierenhöhe und Kontakttypen in der Graphen-MoTe₂-Heterostruktur effektiv durch biaxiale Dehnung und externes elektrisches Feld getunt werden, was die Heterostruktur von einem n-Typ-Schottky-Kontakt in einen p-Typ oder ohmschen Kontakt transformieren kann. Diese Arbeit bietet tiefere Einblicke für das Tunen von Kontakttypen und effektive Strategien zum Design hochperformanter MoTe₂-basierter Schottky-elektronischer Nanobauelemente.

Einleitung

Zweidimensionale (2D) geschichtete Kristalle haben seit der Entdeckung von Graphen wachsendes Interesse aufgrund ihrer neuartigen physikalischen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen geweckt. Unkonventionelle Merkmale und Leistungen wie halbganzzahliger Quanten-Hall-Effekt, Kleiner Tunnel-Effekt und Supraleitfähigkeit wurden in verschiedenen 2D-Materialien entdeckt. Für Graphen hindert jedoch die Dirac-Kegel-Bandstruktur ohne Bandlücke nahe dem Ferminiveau direkte Anwendungen in Transistoren. Dies stimulierte die Suche nach Alternativen aus anderen 2D-Materialien mit vielseitigen Eigenschaften, unter denen geschichtete Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) extensive Aufmerksamkeit erlangten. Die Bandlücken von TMDs können von ~0,8 eV bis 2,0 eV getunt werden und sind mit konventionellen Halbleitern vergleichbar, was TMDs besonders zu guten Kandidaten für optoelektronische Anwendungen macht. Ähnlich wie Graphit sind die meisten TMDs geschichtete Materialien mit van-der-Waals (vdW) Wechselwirkung zwischen den Schichten, daher exfolierbar zu wenigen Lagen oder Monolagen. TMDs zeigen dickeabhängige Charakteristika und durchlaufen einen indirekt-direkten Bandlückenübergang beim Wechsel von Bulk zu wenigen Lagen oder Monolage. Monolagen TMDs haben mehrere Strukturen: H-Phasen und T-Phasen (oder T'-Phasen), wobei H-Phasen meist halbleitende Charakteristika aufweisen.

Als TMD-Mitglied umfasst Bulk-MoTe₂ drei interessante Phasen: hexagonale (2H, halbleitend) Phase, monokline (1T', metallisch) Phase und oktaedrische (T_d, Typ-II-Weyl-Halbmetall) Phase, wobei 2H-Phase die stabilste ist. 2H-MoTe₂ hat indirekte Bandlücke ~1,0 eV für Bulk und direkte Bandlücke ~1,1 eV für Monolage – Bandlücke fast unabhängig von Lagenzahl, anwendbar für Nahinfrarot-Photodetektoren. Der Einfachheit halber wird 2H-MoTe₂ im Folgenden als MoTe₂ bezeichnet. Im Vergleich zu anderen TMDs hat MoTe₂ viele Vorteile: niedrigere Leitfähigkeit, höherer Seebeck-Koeffizient, bessere Sensorfähigkeiten. Die Kombination der Vorteile von MoTe₂ und Graphen, Fertigung einer Heterostruktur aus Graphen und MoTe₂ für Bauelementanwendungen, ist vielversprechend. Tatsächlich haben vertikale Heterostrukturen basierend auf 2D-geschichteten Materialien kürzlich zunehmendes Interesse geweckt aufgrund Abwesenheit hängender Bindungen an Oberflächen isolierter Komponenten und schwacher Ferminiveau-Pinnung. Für Graphen-TMD-basierte vertikale Heterostrukturen bestätigten Experimente exzellente hohes Ein-/Aus-Verhältnis, hohes Photo-Ansprechen, niedrigen Dunkelstrom und gute Quanteneffizienz im Vergleich zu einfachen TMD-basierten Typen. Obwohl die meisten berichteten Graphen-TMD-Heterostrukturen mit anderen TMDs wie MoS₂ konstruiert wurden, untersuchten einige Experimente Graphen-MoTe₂-Heterostrukturen aufgrund einzigartiger elektronischer und optischer Eigenschaften von MoTe₂. Es wurde berichtet, dass das Ein-/Aus-Verhältnis der Graphen-MoTe₂-vertikalen Heterostruktur bis ~(0,5–1)×10⁵ reicht und die Photoresponsivität 20 mA W⁻¹ erreichen kann – vergleichbar mit Graphen-MoS₂-Bauelementen. Später wurde basierend auf Graphen-MoTe₂-Graphen vertikaler vdW-Heterostruktur ein Nahinfrarot-Photodetektor gefertigt mit überlegener Leistung: hohe Photoresponsivität, hohe externe Quanteneffizienz, schnelle Ansprech- und Erholungsprozesse, frei von externer Source-Drain-Stromversorgung im Vergleich zu anderen geschichteten Halbleiter-Photodetektoren. Dann wurde ein Graphen-MoTe₂ vdW-vertikaler Transistor berichtet, der geeignete V-förmige ambipolare Charakteristika aufweist. Daher sind Graphen-MoTe₂-Heterostrukturen vielversprechende Kandidaten für optoelektronische Nanobauelemente mit hoher Responsivität, hoher Geschwindigkeit und Flexibilität. In diesem Sinne ist es essenziell, eine theoretische Untersuchung der Graphen-MoTe₂-vertikalen Heterostruktur durchzuführen, die bisher nicht berichtet wurde.

Für Metall-Halbleiter-Heterostrukturen muss der Kontakttyp (Schottky-Kontakt oder ohmscher Kontakt) berücksichtigt werden, da er die Existenz von Gleichrichtereigenschaften bestimmt. Für Schottky-Kontakt spielt die Schottky-Barrierenhöhe (SBH) eine Schlüsselrolle im Verhalten entsprechender Bauelemente und wurde intensiv untersucht. Um hohe Leistung für tatsächliche Bauelementanwendungen zu erreichen, wäre es wünschenswert, SBH zu tunen. Viele Strategien wurden vorgeschlagen, unter denen Anlegen externen elektrischen Feldes und biaxiale Dehnung die gängigsten sind.

In dieser Arbeit wurden basierend auf Erstprinzip-Rechnungen elektronische Struktur, externe elektrische Feld- und Dehnungsabhängigkeit der SBH der Graphen-MoTe₂-Heterostruktur untersucht. Berechnete Ergebnisse demonstrieren, dass elektronische Eigenschaften von Graphen- und MoTe₂-Monolage nach vertikalem Stapeln als Heterostruktur gut erhalten bleiben. Die Schottky-Barriere der Heterostruktur kann zwischen p-Typ und n-Typ durch Anlegen externen elektrischen Feldes oder Dehnung geändert werden, und die Heterostruktur kann sogar ohmschen Kontakt erreichen, wenn externes elektrisches Feld oder Dehnung stark genug ist.

Rechenmethoden

Erstprinzip-Rechnungen wurden mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt. Projektor-augmentierte Wellen (PAW) Pseudopotentiale wurden für Ionen-Elektron-Wechselwirkung angewendet und die Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) verallgemeinerte Gradientennäherung (GGA) für Elektronen-Austauschkorrelation. Für alle Berechnungen wurde die DFT-D2-Methode von Grimme für vdW-Wechselwirkungsterme eingesetzt und die Ebenenwellen-Abschneideenergie auf 600 eV gesetzt. Konvergenzschwelle: 10⁻⁶ eV für Energie und 0,01 eV/Å für Kraft. Brillouin-Zonen k-Punkt-Gitter 9×9×1 im Monkhorst-Pack-Schema. Vakuumraum von 25 Å entlang z-Richtung zur Vermeidung von Wechselwirkung zwischen Nachbarschichten. Da der Spin-Orbit-Kopplungseffekt auf Bandstrukturen von 2H-MoTe₂ sehr schwach ist, wurde Spin-Orbit-Kopplung in allen Berechnungen nicht berücksichtigt.

Die Graphen-MoTe₂-Heterostruktur wird durch Graphen- und MoTe₂-Monolage via vertikales Stapeln der beiden 2D-Materialien entlang z-Richtung konstruiert. Beide adoptieren hexagonales Gitter mit Gitterparametern 2,46 Å (Graphen) und 3,52 Å (MoTe₂). Gitterfehlanpassung <5 %. Gemäß Strukturen von Graphen- und MoTe₂-Monolage werden drei typische Stapelmodi betrachtet: HS-1, HS-2, HS-3 (Abb. 1). HS-1: Ein Te-Atom liegt genau unter Hohler Position des Graphengitters. HS-2: Ein Te-Atom sitzt unter einem C-Atomplatz des Graphengitters. HS-3: Ein Te-Atom sitzt unter einem anderen nicht-äquivalenten C-Atomplatz des Graphengitters.

Bei Untersuchung der Dehnungsabhängigkeit der SBH wird Dehnung gleichmäßig entlang Zickzack- und Armlehnenrichtung von Graphen angelegt.

Ergebnisse und Diskussion

Gitterkristallstrukturen für MoTe₂-Monolage und drei typische Stapelmodi (HS-1, HS-2, HS-3) der Graphen-MoTe₂-Heterostruktur wurden vollständig optimiert. Erhaltene Bindungsenergien der drei Modi fast identisch: −0,85 eV; Gleichgewichts-Zwischenschichtabstände aller drei Modi ~3,53 Å. Daher Fokus auf HS-1 Graphen-MoTe₂-Heterostruktur für folgende Diskussion, „HS-1“ der Einfachheit halber weggelassen. Optimierte Geometrien von MoTe₂-Monolage und Graphen-MoTe₂-Heterostruktur in Abb. 2. Offensichtlich adoptiert MoTe₂-Monolage hexagonales Gitter, optimierter Gitterkonstante 3,52 Å – konsistent mit Experimenten. Bandstruktur von MoTe₂-Monolage (Abb. 3): Halbleiter mit Bandlücke 1,14 eV – konsistent mit Experimenten. Bei vertikalem Stapeln als Heterostruktur: Gleichgewichts-Zwischenschichtabstand 3,53 Å, vergleichbar mit Sb-MoTe₂-Heterostruktur (~3,94 Å). Aus Abb. 2 ersichtlich: Geometrien der MoTe₂- und Graphenschicht in Heterostruktur bleiben fast identisch zu ursprünglichen Strukturen – Wechselwirkung zwischen den Schichten ist schwach. Bindungsenergie Gleichgewichtsstrukturen −0,85 eV niedriger als Sb-MoTe₂-Heterostruktur (~−0,37 eV) – Heterostruktur energetisch stabil. Sowohl Gleichgewichtsabstand als auch Bindungsenergie vergleichbar mit typischen vdW Graphen-basierten Heterostrukturen (Graphen-wasserstoffiertes Phosphorkarbid, Graphen-AsSb, Graphen-SMoSe/Graphen-SeMoS, Graphen-Phosphoren) – vdW-Wechselwirkung dominiert zwischen MoTe₂ und Graphen, intrinsische Schlüsseleigenschaften erhalten.

Ladungsumverteilung und -transfer treten unvermeidlich auf, wenn Graphen und MoTe₂-Monolage zu Heterostruktur gestapelt werden. 3D-Ladungsdichtedifferenz Δρ = ρ_H − ρ_G − ρ_MT berechnet, wobei ρ_H, ρ_G, ρ_MT Ladungsdichten von Heterostruktur, isoliertem Graphen, MoTe₂-Monolage. Ergebnis in Abb. 4a: Blaue/dunkelrosa Bereiche = Ladungsakkumulation/-verarmung. Blaue Region direkt unter MoTe₂-Schicht – Elektronen akkumulieren um MoTe₂-Schicht; Graphenschicht von dunkelrosa Bereich umgeben – Löcher akkumulieren um Graphenschicht. Für klarere Sicht Ladungstransfer: planarer Mittelwert 〈Δρ〉 (Mittelwert 3D-Ladungsdichtedifferenz Δρ in Ebenen z=const parallel zu Graphenschicht) als blaue Linie in Abb. 4a, negative/positive Werte = Elektronenverarmung/-akkumulation. Ergebnis verifiziert: Elektronen transferieren von Graphen- zu MoTe₂-Schicht, Oszillationen in 〈Δρ〉 in beiden Schichten. Elektronenlokalisationsfunktion (ELF) in Abb. 4b: Form von ELF um Te-Atom nahe Graphenschicht offensichtlich anders als um Te-Atom anderer Seite – deutet auf Existenz interlayer vdW-Wechselwirkung in Heterostruktur hin.

Viele physikalische Eigenschaften werden durch Bandstrukturen und Zustandsdichten (DOS) bestimmt. Berechnete Bandstrukturen und DOS der Graphen-MoTe₂-Heterostruktur in Abb. 5, Ferminiveau auf Null gesetzt. Dirac-Kegel der Graphenschicht um Ferminiveau gut erhalten; jedoch Bandlücke ~10,6 meV geöffnet – kleiner, aber merklicher Interlayer-Kopplung in Heterostruktur. Bänder der MoTe₂-Schicht zeigen: Halbleitereigenschaften MoTe₂-Schicht mit direkter Bandlücke erhalten. Bandlücke MoTe₂-Schicht in Heterostruktur 0,85 eV – geändert vs. 1,14 eV isolierte Monolage. Auffälliges Merkmal Abb. 5: Bandstruktur als einfache Summe der Bänder isolierter Schichten anzusehen. Nicht überraschend: Wechselwirkung zwischen Graphen- und MoTe₂-Schicht unzureichend, um Charakteristika der Bandstruktur jedes Komponenten zu modifizieren – Interlayer-Wechselwirkungseffekt auf Bandstruktur sehr schwach. Weiterer Hinweis: vdW-Wechselwirkung dominiert zwischen MoTe₂- und Graphenschicht in Heterostruktur, intrinsische Schlüsseleigenschaften erhalten.

Kontakteigenschaften von Heterostrukturen wichtig für Bauelementanwendungen. Graphen-MoTe₂-Heteroübergangs-basierter Transistor designed, Schema Abb. 6a: MoTe₂-Monolage als Kanalmaterial, Graphen als Source/Drain und Gate-Elektroden. Aufgrund Arbeitsfunktionsdifferenz Metall/Halbleiter: Bandbiegen an Grenzfläche, schätzbar durch Ferminiveaudifferenz (ΔE_F) = W_G−MT − W_MT, wobei W_G−MT und W_MT Arbeitsfunktionen Heterostruktur und MoTe₂-Monolage. Berechnete W_G−MT = 4,36 eV, W_MT = 4,84 eV (Abb. 6b) – konsistent mit Experimentwerten. Folglich Bandbiegen (ΔE_F) ~0,48 eV in Heterostruktur – vergleichbar mit Graphen-wasserstoffiertem Phosphorkarbid-Heterostruktur.

Wichtigste Kontakteigenschaft Metall-Halbleiter-Heterostrukturen: Schottky-Barriere an vertikaler Grenzfläche (zwischen Graphen- und MoTe₂-Schicht) – bestimmt Stromfluss über Grenzfläche, signifikante Rolle für Bauelementleistung. Allgemein: SBH nach Halbleitertyp in Heterostrukturen in n-Typ und p-Typ unterteilt. n-Typ SBH (Φ_Bn) = Energieunterschied Leitungsbandminimum (CBM) Halbleiter (E_C) und Ferminiveau Metall (E_F): Φ_Bn = E_C − E_F. p-Typ SBH (Φ_Bp) = Energieunterschied Ferminiveau Metall und Valenzbandmaximum (VBM) Halbleiter (E_V): Φ_Bp = E_F − E_V. SBH-Ergebnisse Graphen-MoTe₂-Heterostruktur in Abb. 6b. Durch Ladungstransfer verschiebt sich Ferminiveau von Valenzbandseite MoTe₂-Monolage zu Leitungsbandseite MoTe₂-Schicht in Heterostruktur – SBH n-Typ mit ~0,33 eV an Grenzfläche. Ladungstransport der Heterostruktur hauptsächlich durch Elektronen.

Zur Verbesserung Heterostruktur-basierter Transistorleistung wünschenswert: SBH Tuning. Demonstriert: SBH via externes elektrisches Feld und Ebenendehnung tunbar. Rechenreihe Bandstruktur Heterostruktur unter verschiedenen externen elektrischen Feldern, Ergebnisse Abb. 7. Richtung positives externes elektrisches Feld: MoTe₂-Schicht zu Graphenschicht; negativer Wert: entgegengesetzte Richtung. Im Schottky-Kontakt-Bereich: Φ_Bn zeigt annähernd aufwärts lineare Beziehung mit elektrischem Feld, Φ_Bp verhält sich umgekehrt. Ergebnisse deuten an: positives/negatives elektrisches Feld ermöglicht Ferminiveau-Verschiebung zu VBM/CBM MoTe₂-Schicht in Heterostruktur. Unter negativem elektrischem Feld: Φ_Bn < Φ_Bp immer – Schottky-Barriere n-Typ. Wenn positives elektrisches Feld wenig >0: Φ_Bn > Φ_Bp – Schottky-Barriere ändert von n-Typ zu p-Typ an Graphen-MoTe₂-Grenzfläche. Offensichtlich: Bandlücke (~Summe Φ_Bn + Φ_Bp) MoTe₂-Schicht bleibt unter externem elektrischem Feld fast konstant – externes Feld hat wenig Effekt auf pristine elektronische Eigenschaften. Verständlich: externes elektrisches Feld ändert Energieeigenwerte Valenzelektronen (CBM, VBM), relative Werte unverändert – Bandlücke konstant. Externes elektrisches Feld ändert Bandstruktur nicht außer Bandbiegen. Aus Abb. 7 klar: SBH wird negativ wenn positives elektrisches Feld >1,0 V/nm – Elektronen von Graphen in MoTe₂ ohne Barriere injiziert, MoTe₂ besitzt metallische Leitfähigkeit – Schottky-zu-ohmscher-Kontakt-Übergang realisiert. Für negatives elektrisches Feld bei Intensität >1,0 V/nm: Heterostruktur auch auf ohmschen Kontakt tunbar. Alle Ergebnisse demonstrieren: Anlegen externes elektrisches Feld effektive Strategie zur Modulation SBH und Kontakttyp Graphen-MoTe₂-Heterostruktur.

SBH als Funktion ebener biaxialer Dehnung berechnet, Ergebnisse Abb. 8. Für biaxiale Dehnung: z-Koordinat Te-Atome relaxiert, Positionen anderer Atome fix nach Ändern Einheitszellengröße. Gezeigt: Dehnung kann SBH Heterostruktur zwischen n-Typ und p-Typ tunen und Heterostruktur zu ohmschem Kontakt treiben. Verhaltensweisen Dehnungsabhängigkeit SBH sehr unterschiedlich zu elektrischem Feld. Situation komplexer. Für weiten Dehnungsbereich: Φ_Bn < Φ_Bp, nur in schmalem Zugdehnungsbereich Φ_Bp < Φ_Bn. Dehnungsbereich n-Typ SBH (~−10 bis 4 %) viel breiter als p-Typ (~4 bis 7 %). Wenn Zugdehnung 7 % und Druckdehnung 10 % erreicht: ohmscher Kontakt für Heterostruktur erscheint. Bemerkenswert: Bandlücke MoTe₂-Schicht in Heterostruktur ändert sich stark mit Dehnungsvariation im Schottky-Kontakt-Bereich – stark verschieden von elektrischem Feld Fall. Unter Dehnung weichen Gitter von Gleichgewichtszustand ab – Bandstrukturänderung. Nicht nur Bandlückenwert, auch Bandlückentyp (direkt/indirekt) ändert sich durch Dehnung. Für kleine Dehnung: MoTe₂-Schicht bleibt direkte Bandlücke; für große Dehnung: Wechsel zu indirekter Bandlücke. Hinweis: Für realen Transistor können tatsächliche Bedingungen für Schottky-zu-ohmschen Kontaktübergang etwas von berechneten Ergebnissen abweichen aufgrund tatsächlicher Situationen.

Obige Ergebnisse legen nahe: Anlegen externes elektrisches Feld und ebene biaxiale Dehnung sind effektive Methoden zur Kontrolle SBH und Kontakttyp Graphen-MoTe₂-Heterostruktur – unverzichtbar für Design 2D vdW-Heterostruktur basierter Feldeffekt-Transistoren. Darüber hinaus kann Graphen-MoTe₂-Heterostruktur für tunbare Schottky-Dioden in nanoelektronischen und optoelektronischen Bauelementen angewendet werden.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend: Bandstrukturen der Graphen-MoTe₂-Heterostruktur unter verschiedenen elektrischen Feldern und biaxialen Dehnungen systematisch basierend auf Erstprinzip-Rechnungen untersucht. Elektronische Strukturen von Graphen und MoTe₂ nach vertikalem Stapeln gut erhalten – Interlayer-Wechselwirkung der Heterostruktur gehört zum vdW-Typ. Allerdings verschiebt sich Ferminiveau nach Heterostrukturbildung zum CBM der MoTe₂-Schicht – Schottky-Kontakte n-Typ mit 0,33 eV SBH. SBH und Kontakttyp an Heterostruktur-Grenzfläche können effektiv durch externes elektrisches Feld oder Dehnung moduliert werden. Bei elektrischem Feld: im Schottky-Kontakt-Bereich zeigt n-Typ SBH annähernd aufwärts lineare Beziehung mit elektrischem Feld, p-Typ SBH verhält sich umgekehrt. Heterostruktur auf ohmschen Kontakt tunbar für elektrisches Feld >1,0 V/nm auf beiden positiven und negativen Seiten. Für biaxiale Dehnung: Situation komplexer als elektrisches Feld. Dehnungsbereich n-Typ SBH viel breiter als p-Typ. Bei Zugdehnung 7 % oder Druckdehnung 10 % erscheint ohmscher Kontakt. Alle Ergebnisse demonstrieren: Anlegen elektrisches Feld oder Dehnung gute Methode zur Kontrolle SBH und Kontakttyp der Heterostruktur, sogar System in ohmschen Kontakt treiben. Diese Features sehr signifikant für Design hochperformanter nanoelektronischer und optoelektronischer Bauelemente.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützen, sind im Artikel enthalten; weitere Informationen zu Daten und Materialien können auf motivierte Anfrage an den korrespondierenden Autor bereitgestellt werden.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

TMDs:

Übergangsmetall-Dichalkogenide

vdW:

Van der Waals

SBH:

Schottky-Barrierenhöhe

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

PAW:

Projektor-augmentierte Welle

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Verallgemeinerte Gradientennäherung

DOS:

Zustandsdichte

CBM:

Leitungsbandminimum

VBM:

Valenzbandmaximum