二维半导体MXene—金属接触的相互作用及电子结构

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近年来,低维材料技术日益成熟,二维半导体材料是当前材料研究的热点。一种名为MXene的二维材料已被广泛应用于各种锂离子电池、超级电容器、催化剂等领域,然而,尽管MXene与金属电极的接触在电子和光电器件中具有重要意义,但其研究却十分有限。因此金属基底与MXene接触界面的电学特性和电子结构是一个关键的研究方面。本文借助第一性原理计算方法,密度泛函理论(DFT),对MXene-金属接触进行了系统性的研究。主要工作和结论如下:首先,建立了不同的MXene-金属接触模型,并利用VASP软件包对其进行了结构优化。根据不同的MXene和金属基底模型的匹配度,我们选取合适且平整的金属切面,有针对性地分别建立了单胞和超胞接触模型,使所有接触模型失配率都在5%以下。并且对其稳定性进行了研究,确保其接触结构的合理性。其次,对MXene-金属接触的能带结构进行了计算分析。通过计算结果,我们发现尽管大多数触点都呈现出间接带隙的特性,这种特性并不适用于某些特殊电子器件,但对于Ag-Sc2CO2和Au-Sc2CO2来说,他们都表现出直接带隙的特性,并且计算得出N型肖特基势垒分别为0.122和0.763 eV。Pd-Ti2CO2和Au-Ti2CO2并未具有肖特基势垒,但体现出可以形成良好欧姆接触的潜力。此外,在上述四种接触中,皆不存在费米能级钉扎效应。但Zr2CO2体系中存在明显的金属诱导隙态(MIGSs),产生强费米能级钉扎,并导致N型欧姆接触(Ag-、Pd-)和N型肖特基接触(Au-、Pt-)具有较低的肖特基势垒高度(0.124 eV、0.163 eV)。对MXene-金属接触的隧道势垒进行了计算分析。隧道势垒是限制接触器件电学性能的另一大阻碍,通过静电势的计算,我们发现只有Hf作为基底中与Hf2CO2、Zr2CO2以及Ti2CO2接触时隧道势垒为0 eV,其他接触皆具有一定大小的接触势垒,这对于器件制造具有重要的指导意义。作为补充,我们还研究了一种新型结构不对称aMXene及与TMDC接触后的性质和应用潜力。研究了aMXene/mTMDC结构制备以及结构稳定性。接触中的强内建电场和新型能带结构提供了其应用于微电子器件和能量转换催化方面的可能性。
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