Барьеры Шоттки, контролируемые деформацией и электрическим полем, и типы контактов в гетероструктуре Ван-дер-Ваальса Graphene-MoTe2

Введение

Двумерные (2D) слоистые кристаллы привлекают все больший интерес из-за их новых физических свойств и потенциальных приложений в различных областях с момента открытия графена [1]. В различных 2D-материалах были обнаружены нетрадиционные свойства и характеристики, такие как полуцелочисленный квантовый эффект Холла [2], туннелирование Клейна [3] и сверхпроводимость [4]. Однако для графена зонная структура типа конуса Дирака без запрещенной зоны вблизи уровня Ферми препятствует его прямому применению в транзисторах. Это стимулировало поиск альтернативных материалов из других 2D-материалов [5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] с универсальными свойствами, среди которых широкое внимание привлекли слоистые дихалькогениды переходных металлов (ДПМ). . Ширина запрещенной зоны TMD может быть изменена примерно от 0,8 до 2,0 эВ и сравнима с шириной запрещенной зоны обычных полупроводников, что делает TMD особенно хорошими кандидатами для оптоэлектронных приложений. Подобно графиту, большинство TMD представляют собой материалы со слоистой структурой с ван-дер-ваальсовым (vdW) взаимодействием между слоями, поэтому их можно расслаивать на несколько слоев или на один слой [15, 16]. Обнаружено, что TMD имеют характеристики, зависящие от толщины, и будут претерпевать непрямой-прямой переход запрещенной зоны [16, 17], когда они меняются с объемного на несколько слоев или монослой. Однослойные TMD имеют несколько структур, таких как H-фазы и T-фазы (или T '-фазы), тогда как H-фазы обычно обладают полупроводниковыми характеристиками.

Как член TMD, массовый MoTe ₂ включает три интересных фазы:гексагональную (2H, полупроводниковую) фазу [18], моноклинную (1 T ′, металлическую) фазу [19] и октаэдрическую (T _d , полуметалл Вейля II типа) [20, 21], в которой 2H-фаза является наиболее устойчивой. 2H-фаза MoTe ₂ имеет непрямую ширину запрещенной зоны около 1,0 эВ для объема и прямую запрещенную зону около 1,1 эВ для монослоя [22, 23], что указывает на то, что ширина запрещенной зоны практически не зависит от количества слоев и может применяться для ближнего -инфракрасные фотоприемники. Для удобства в следующем тексте 2H-MoTe ₂ просто упоминается как MoTe ₂ . По сравнению с другими TMD, MoTe ₂ имеет много преимуществ, например, проводимость ниже [24], коэффициент Зеебека выше [24], а чувствительность лучше [18, 25]. Сочетание преимуществ MoTe ₂ и графен, создавая гетероструктуру из графена и MoTe ₂ для приложений устройства могут быть рассмотрены. Собственно, в последнее время вертикальные гетероструктуры на основе материалов с 2D-слоистой структурой привлекают все больший интерес [26,27,28,29,30,31,32,33] из-за отсутствия оборванных связей на поверхности изолированных компонентов и слабой Пиннинг на уровне феми. Для вертикальных гетероструктур на основе графена-TMD эксперименты подтвердили их превосходное высокое отношение включения-выключения, высокий фотоотклик, низкий темновой ток и хорошую квантовую эффективность [34,35,36,37,38] по сравнению с простыми TMD. -основные типы. Хотя большинство описанных вертикальных гетероструктур на основе графена-TMD построены с использованием других TMD, таких как MoS ₂ , в некоторых экспериментах исследовали графен-MoTe ₂ гетероструктура [39,40,41,42,43] благодаря уникальным электронным и оптическим свойствам MoTe ₂ . Сообщалось [39], что отношение включения-выключения графена-MoTe ₂ вертикальная гетероструктура достигает ~ (0,5 - 1) × 10 ⁻⁵ , а фото чувствительность может достигать 20 мАВт ⁻¹ , которые сравнимы с соответствующими значениями графен-MoS ₂ устройство. Позже на основе графена-MoTe ₂ -графеновая вертикальная ВДВ-гетероструктура, был изготовлен фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона [40, 42] с превосходными характеристиками, включая высокую светочувствительность, высокую внешнюю квантовую эффективность, быстрые процессы отклика и восстановления, и свободный от внешнего источника питания исток-сток по сравнению с прочие слоистые полупроводниковые фотоприемники. Затем графен-MoTe ₂ Сообщалось о вертикальном транзисторе vdW, который демонстрирует подходящие V-образные амбиполярные характеристики [41]. Следовательно, графен-MoTe ₂ гетероструктуры являются многообещающими кандидатами в оптоэлектронные наноустройства с высокой чувствительностью, быстродействием и гибкостью. В этом смысле необходимо провести теоретическое исследование графена-MoTe ₂ . вертикальная гетероструктура, о которой еще не сообщалось.

Для гетероструктуры металл-полупроводник необходимо учитывать тип контакта (контакт Шоттки или омический контакт), поскольку он определяет наличие или отсутствие выпрямляющих характеристик гетероструктуры. Для контакта Шоттки высота барьера Шоттки (SBH) будет играть ключевую роль в поведении соответствующих устройств [44] и интенсивно исследовалась. Для достижения высокой производительности для реальных приложений устройств было бы желательно, чтобы SBH можно было настраивать. Было предложено множество стратегий для модуляции SBH, среди которых наиболее распространенными способами являются приложение внешнего электрического поля и двухосная деформация.

В этой статье, основанной на расчетах из первых принципов, электронная структура и зависимость внешнего электронного поля и деформации SBH графена-MoTe ₂ гетероструктуры. Результаты расчетов показывают, что электронные свойства графена и MoTe ₂ монослои достаточно хорошо сохраняются после вертикальной укладки в виде гетероструктуры. Барьер Шоттки гетероструктуры можно изменять в пределах p type и n типа путем приложения внешнего электрического поля или деформации, и гетероструктура может даже достичь омического контакта, когда внешнее электрическое поле или деформация достаточно сильны.

Вычислительные методы

Расчеты из первых принципов были выполнены с использованием пакета Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [45,46,47], основанного на теории функционала плотности (DFT). Псевдопотенциалы расширенной волны проектора (PAW) [48] были применены для моделирования ион-электронного взаимодействия, а приближение обобщенного градиента Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) (GGA) [49] было использовано для обработки корреляции электронного обмена. Для всех расчетов используется метод Гримма DFT-D2 [50], представляющий член взаимодействия vdW, а энергия отсечки плоской волны установлена ​​на 600 эВ. Порог сходимости установлен на 10 ⁻⁶ эВ для энергии и 0,01 эВ / Å для силы. Зона Бриллюэна k -точечная сетка установлена ​​как 9 × 9 × 1 в схеме Monkhost-Pack. Вакуумное пространство 25 Å вдоль z направление принято, чтобы избежать взаимодействия между соседними слоями. Как было обнаружено, влияние спин-орбитальной связи на зонные структуры 2H-MoTe ₂ очень слабая [51], все расчеты не учитывают спин-орбитальное взаимодействие.

Графен-MoTe ₂ гетероструктура построена из графена и MoTe ₂ монослой путем наложения двух 2D материалов в вертикальном направлении. И графен, и MoTe ₂ принимают гексагональную решетку, и их параметры решетки составляют 2,46 Å [52] и 3,52 Å [53] соответственно. Следовательно, рассогласование решеток ниже, чем предыдущий критерий 5%. По структурам графена и MoTe ₂ монослоя, здесь рассматриваются три типичных режима стэкинга:HS-1, HS-2 и HS-3, которые показаны на рис. 1. Для режима стэкинга HS-1 один атом Te находится под полым узлом решетка графена; для HS-2 один атом Te находится под одним узлом атома C в решетке графена; для HS-3 один атом Te находится под другим неэквивалентным узлом атома C в решетке графена.

Вид сверху и вид сбоку трех типичных режимов наложения графена-MoTe ₂ гетероструктура:( a ) HS-1, ( b ) HS-2, ( c ) HS-3. Серый, розовый и зеленый шары представляют собой атомы углерода, молибдена и теллура соответственно

Когда исследуется зависимость SBH от деформации, деформация применяется одинаково в зигзагообразном и кресельном направлениях графена, соответственно.

Результаты и обсуждение

Структуры кристаллической решетки MoTe ₂ монослой и три типичных режима укладки (HS-1, HS-2 и HS-3) графена-MoTe ₂ все гетероструктуры были полностью оптимизированы. Полученные энергии связи трех типичных мод стэкинга почти одинаковы, т.е. -0,85 эВ, в то время как равновесные межслоевые расстояния трех мод все приблизительно равны 3,53 Å. Следовательно, мы сосредотачиваемся исключительно на HS-1 графен-MoTe ₂ гетероструктура для следующего обсуждения и опустите «HS-1» для простоты в следующем тексте. Оптимизированные геометрические структуры MoTe ₂ монослой и графен-MoTe ₂ гетероструктуры показаны на рис. 2. Очевидно, что MoTe ₂ монослой принимает гексагональную решетку, а оптимизированная постоянная решетки составляет 3,52 Å, что согласуется с результатами экспериментов [53, 54]. Это хорошо видно из ленточной структуры MoTe ₂ монослой, как показано на рис. 3, MoTe ₂ монослой представляет собой полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,14 эВ, что также согласуется с результатами экспериментов [22, 23]. Когда графен и MoTe ₂ монослои вертикально уложены в виде гетероструктуры, равновесное межслоевое расстояние составляет 3,53 Å, что сопоставимо со значением Sb-MoTe ₂ гетероструктура (около 3,94 Å) [55]. Из рис. 2 также видно, что геометрические структуры MoTe ₂ слой и слой графена в графен-MoTe ₂ гетероструктура практически не отличается от исходных структур MoTe ₂ монослой и графен, что указывает на слабое взаимодействие между этими двумя слоями. Энергия связи равновесных структур -0,85 эВ ниже, чем у Sb-MoTe ₂ гетероструктура (около -0,37 эВ) [55], поэтому гетероструктура является энергетически стабильной. Как равновесное расстояние между двумя слоями, так и энергия связи сравнимы с таковыми для типичных гетероструктур на основе vdW-графена, таких как гидрогенизированный графеном карбид фосфора [56], графен-AsSb [29], графен-SMoSe и графен-SeMoS [30]. , и графен-фосфор [57], что указывает на то, что взаимодействие между MoTe ₂ а графен относится к слабому типу вдВ.

Вид сверху и вид сбоку оптимизированных конструкций ( a ) MoTe ₂ монослой и ( b ) графен-MoTe ₂ гетероструктура. Серый, розовый и зеленый шары представляют собой атомы углерода, молибдена и теллура соответственно. Синие параллелограммы обозначают двумерные элементарные ячейки

Электронная зонная структура MoTe ₂ монослой. Голубая область представляет собой запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости

На самом деле перераспределение и перенос заряда неизбежно произойдет, если графен и MoTe ₂ монослои уложены друг на друга, образуя гетероструктуру. Разница в трехмерной плотности заряда в графен-MoTe ₂ гетероструктура, определяемая как Δ ρ = ρ _H - ρ _G - ρ _MT вычислено, где ρ _H , ρ _G , и ρ _MT - плотности заряда гетероструктуры, изолированного графена и MoTe ₂ монослой соответственно. Результат показан на рис. 4a, на котором синяя и темно-розовая области представляют накопление заряда и истощение, соответственно. Очевидно, синяя область находится прямо под MoTe ₂ слой, который указывает на то, что электроны накапливаются вокруг MoTe ₂ слой; в то время как слой графена окружен темно-розовой областью, подразумевая, что дыры скапливаются вокруг слоя графена. Чтобы более четко увидеть свойство переноса заряда, плоское среднее 〈∆ ρ 〉, Который определяется как среднее значение разности трехмерных плотностей зарядов Δ ρ в самолетах с z =const. которые параллельны слою графена, показаны синей линией на рис. 4a, где отрицательные и положительные значения представляют собой обеднение и накопление электронов, соответственно. Результат подтверждает, что часть электронов переносится из слоя графена в MoTe ₂ слоя, и есть колебания в 〈 ∆ρ 〉 Как в графене, так и в MoTe ₂ слой. Функция локализации электронов (ELF) также представлена ​​на рис. 4b, из которого видно, что форма ELF вокруг атома Te вблизи слоя графена, очевидно, отличается от формы вокруг атома Te на другой стороне, что позволяет предположить наличие межслоевого ВДВ взаимодействия в гетероструктуре.

а Разница в трехмерной плотности заряда и разность средней плотности заряда (синяя линия) как функция положения в графен-MoTe ₂ гетероструктура вдоль z направление, где синяя и темно-розовая области обозначают накопление и недостаток электронов соответственно. Горизонтальная пунктирная линия отмечает центральное положение между слоем графена и MoTe ₂ слой. б Функция электронной локализации графена-MoTe ₂ гетероструктура с из величиной 0,7

Многие физические свойства определяются зонными структурами и плотностью состояний (DOS), а также расчетными зонными структурами и DOS графена-MoTe ₂ Гетероструктуры показаны на рис. 5, где уровень Ферми установлен на нуль. Конус Дирака графенового слоя вокруг уровня Ферми все еще хорошо сохранился; однако открывается запрещенная зона около 10,6 мэВ. То есть в гетероструктуре есть небольшая, но заметная межслойная связь. Группы, предоставленные MoTe ₂ слой демонстрирует, что полупроводниковые характеристики MoTe ₂ слой с прямой запрещенной зоной сохраняются. Ширина запрещенной зоны MoTe ₂ слой составляет 0,85 эВ в гетероструктуре, что изменилось по сравнению с результатом 1,14 эВ для изолированного MoTe ₂ монослой. Одна поразительная особенность рис. 5 состоит в том, что полосную структуру можно рассматривать как простую сумму полос изолированных слоев. Неудивительно, что взаимодействие между слоем графена и MoTe ₂ слоя недостаточно для изменения характеристик зонной структуры каждого компонента в гетероструктуре, поэтому влияние межслоевого взаимодействия на зонную структуру очень слабое. Это дополнительно указывает на то, что vdW-взаимодействие доминирует между MoTe ₂ слой и слой графена в гетероструктуре, сохраняя, таким образом, внутренние ключевые свойства.

Зонные структуры и парциальная плотность состояний графенового слоя и MoTe ₂ слой в графен-MoTe ₂ гетероструктура

Контактные свойства гетероструктур важны для приложений. Графен-MoTe ₂ Был разработан транзистор на основе гетероперехода, принципиальная схема которого показана на рис. 6а, где MoTe ₂ в качестве материала канала используется монослой, а в качестве электродов истока, стока и затвора - графен. Из-за разницы в работе выхода металла и полупроводника на границе раздела возникает изгиб зон, который можно оценить по разности уровней Ферми (Δ E _F ), определяемую Δ E _F = Вт _{G - MT} - W _MT , где W _{G - MT} и W _MT являются работой выхода гетероструктур и соответствующих MoTe ₂ монослой соответственно. Расчетное W _{G - MT} и W _MT равны 4,36 и 4,84 эВ соответственно, как показано на рис. 6b. Результаты согласуются с экспериментальными значениями [39]. Следовательно, изгиб ленты (Δ E _F ) составляет около 0,48 эВ в гетероструктуре, что сравнимо с результатом гетероструктуры графен-гидрированного карбида фосфора [56].

а Принципиальная схема графена-MoTe ₂ транзистор на основе гетероструктуры. б Выравнивание полос графена-MoTe ₂ гетероструктура относительно уровня вакуума, где красный конус представляет положение точки Дирака графенового слоя в гетероструктуре. CBM и VBM представляют минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны соответственно. Вт _G-MT и W _MT являются работой выхода графена-MoTe ₂ гетероструктура и MoTe ₂ монослой соответственно

Одним из важнейших контактных свойств гетероструктур металл-полупроводник является барьер Шоттки на вертикальной границе раздела (между слоем графена и MoTe ₂ слой), который определяет ток, протекающий через интерфейс гетероструктур, таким образом, играя важную роль в соответствующих характеристиках устройства. В общем, по типам полупроводников в гетероструктурах SBH делится на n type и p типа соответственно. n типа SBH ( Φ _млрд ) определяется как разность энергий между минимумом зоны проводимости (CBM) полупроводника ( E _C ) и уровень Ферми металла ( E _F ), т. е. Φ _млрд = E _C - E _F . p типа SBH ( Φ _Bp ) определяется как разность энергий между уровнем Ферми металла и максимумом валентной зоны (VBM) полупроводника ( E _V ), т. е. Φ _Bp = E _F - E _V . Результаты SBH графена-MoTe ₂ Гетероструктура представлена ​​на рис. 6б. Из-за переноса заряда уровень Ферми перемещается со стороны валентной зоны MoTe ₂ монослой к стороне зоны проводимости MoTe ₂ слой в гетероструктуре, который означает, что SBH гетероструктуры составляет n типа со значением около 0,33 эВ на границе раздела. Иными словами, зарядовая проводимость гетероструктуры будет в основном за счет электронов.

Для улучшения характеристик транзисторов на основе гетероструктур было бы желательно настроить ШПН. Показано, что SBH может быть настроен путем приложения внешнего электрического поля и деформации в плоскости [29, 30, 58]. Была проведена серия расчетов зонной структуры гетероструктуры при различных внешних электрических полях, и результаты показаны на рис.7, где направление положительного внешнего электрического поля указывает на MoTe ₂ слой к слою графена, а отрицательное значение в противоположном направлении. В области контакта Шоттки Φ _млрд демонстрирует приблизительно восходящую линейную зависимость от электрического поля, в то время как Φ _Bp ведет себя обратно. Эти результаты предполагают, что положительные и отрицательные электрические поля позволяют уровню Ферми сдвигаться в сторону VBM и CBM MoTe ₂ слоя в гетероструктуре соответственно. В отрицательном электрическом поле Φ _млрд меньше, чем Φ _Bp все время, что указывает на то, что барьер Шоттки равен n тип. Когда положительное электрическое поле немного больше нуля, Φ _млрд начинает быть больше Φ _Bp , что означает, что барьер Шоттки изменен с n введите p введите графен-MoTe ₂ интерфейс. Очевидно, что ширина запрещенной зоны (примерно равна сумме Φ _млрд и Φ _Bp ) MoTe ₂ слой почти остается постоянным под действием внешнего электрического поля, что означает, что внешнее поле мало влияет на изначальные электронные свойства. Это можно понять следующим образом:хотя внешнее электрическое поле может изменять собственные значения энергии валентного электрона, такие как CBM и VBM, их относительные значения не изменяются, в результате чего ширина запрещенной зоны остается постоянной. Другими словами, внешнее электрическое поле не могло изменить зонную структуру, кроме изгиба зон. Также ясно видно из рис. 7, что SBH становится отрицательным, когда положительное электрическое поле больше 1,0 В / нм, что означает, что электроны из графена будут инжектироваться в MoTe ₂ без какого-либо барьера, что указывает на то, что MoTe ₂ обладает металлической проводимостью и, таким образом, реализует контактный переход Шоттки-омический. Для отрицательного электрического поля, когда напряженность превышает 1.0 В / нм, гетероструктура также может быть настроена на омический контакт. Все эти результаты демонстрируют, что приложение внешнего электрического поля является эффективной стратегией для модуляции SBH и типа контакта для графен-MoTe ₂ гетероструктура.

Высота барьера Шоттки для графена-MoTe ₂ гетероструктура как функция внешнего электрического поля. Синяя и красная области обозначают контакт Шоттки как p type и n типа соответственно. Серая область обозначает область омического контакта

SBH как функция двухосной деформации в плоскости также рассчитывается, и результаты показаны на рис. 8. Для применения двухосной деформации z координаты атомов Te релаксируют, в то время как положения других атомов остаются фиксированными после изменения размера элементарной ячейки. Показано, что деформация также может регулировать SBH гетероструктуры между n type и p набрать и подвести гетероструктуру к омическому контакту. Поведение зависимости SBH от деформации сильно отличается от поведения зависимости от электрического поля. Ситуация значительно усложняется. Для широкого диапазона деформации Φ _млрд меньше, чем Φ _Bp , в то время как только в узком диапазоне деформации растяжения Φ _Bp поддерживает меньше Φ _млрд . То есть диапазон деформации n -типа SBH (деформация около -10 ~ 4%) намного шире, чем у p типа (около 4 ~ 7%). Когда деформация растяжения достигает 7%, а деформации сжатия - 10%, также появляется омический контакт для гетероструктуры. Стоит отметить, что запрещенная зона MoTe ₂ Слой в гетероструктуре будет сильно изменяться с изменением деформации в области контакта Шоттки, что сильно отличается от результатов для случая электрического поля. Когда решетки находятся под напряжением, они отклоняются от состояния равновесия, вызывая изменение зонной структуры. Фактически, не только величина ширины запрещенной зоны, но и тип запрещенной зоны (прямой или косвенный) будет изменяться под действием деформации. Для небольшой деформации MoTe ₂ слой остается прямой запрещенной зоной, в то время как он изменяется на непрямую запрещенную зону при большой деформации. Здесь следует отметить, что для реального транзистора фактические условия реализации перехода Шоттки-омический контакт могут несколько отличаться от расчетных результатов из-за реальных ситуаций.

Высота барьера Шоттки для графена-MoTe ₂ гетероструктура как функция деформации. Синяя и красная области обозначают контакт Шоттки как p type и n типа соответственно. Серая область обозначает область омического контакта

Приведенные выше результаты показывают, что как приложение внешнего электрического поля, так и двухосная деформация в плоскости являются эффективными методами контроля SBH и типа контакта графен-MoTe ₂ гетероструктура, которая необходима для создания полевых транзисторов на основе 2D-ВДВ гетероструктуры. Кроме того, графен-MoTe ₂ Гетероструктура может быть применена для перестраиваемых диодов Шоттки в устройствах наноэлектроники и оптоэлектроники.

Выводы

Таким образом, зонные структуры графена-MoTe ₂ Гетероструктура в различных электрических полях и двухосных деформациях систематически исследовалась на основе первопринципных расчетов. Электронные структуры графена и MoTe ₂ хорошо сохраняются после штабелирования в вертикальном направлении, что позволяет предположить, что межслоевое взаимодействие гетероструктуры относится к типу ВДВ. Однако уровень Ферми движется в сторону CBM MoTe ₂ слоя после образования гетероструктуры, т.е. контакты Шоттки составляют n типа с SBH 0,33 эВ. SBH и тип контактов на границе гетероструктуры можно эффективно модулировать путем приложения внешнего электрического поля или деформации. При приложении электрического поля в области контакта Шоттки n Тип SBH демонстрирует приблизительно восходящую линейную зависимость от электрического поля, и p типа SBH ведет себя обратно. Гетероструктура может быть настроена на омический контакт для электрического поля, превышающего 1,0 В / нм как с положительной, так и с отрицательной стороны. В случае применения двухосной деформации ситуация более сложная, чем в случае электрического поля. Диапазон деформации n тип SBH намного шире, чем у p тип. Когда деформация растяжения достигает 7% или деформация сжатия достигает 10%, также появляется омический контакт. Все результаты демонстрируют, что приложение электрического поля или деформации - хороший способ контролировать SBH, а также тип контакта гетероструктуры, даже загонять систему в омический контакт. Эти особенности очень важны для разработки высокопроизводительных наноэлектронных и оптоэлектронных устройств.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью, и дополнительная информация о данных и материалах может быть предоставлена ​​заинтересованной стороне по мотивированному запросу, адресованному соответствующему автору.

Сокращения

2D:

Двумерный

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов

vdW:

Ван дер Ваальс

SBH:

Высота барьера Шоттки

DFT:

Функциональная теория плотности

PAW:

Проектор дополненной волны

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Обобщенное приближение градиента

DOS:

Плотность состояний

CBM:

Минимальная зона проводимости

VBM:

Максимальный диапазон валентности