Graphene-MoTe2 van der Waals Heterostructure의 변형 및 전기장 제어 가능한 쇼트키 장벽 및 접촉 유형

결과 및 토론

MoTe₂의 격자 결정 구조 그래핀-MoTe₂의 단층 및 세 가지 일반적인 적층 모드(HS-1, HS-2 및 HS-3) heterostructure는 모두 완전히 최적화되었습니다. 세 가지 일반적인 적층 모드에서 얻은 결합 에너지는 모두 거의 동일하며, 즉 -0.85 eV인 반면, 세 가지 모드의 평형 층간 거리는 모두 대략 3.53 Å입니다. 따라서 우리는 HS-1 그래핀-MoTe₂에만 집중합니다. 다음 논의에서는 이종 구조를 사용하고 다음 텍스트에서는 단순화를 위해 "HS-1"을 생략합니다. MoTe₂의 최적화된 기하학 구조 단층 및 그래핀-MoTe₂ 이종 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 분명히 MoTe₂ monolayer는 육각형 격자를 채택하고 최적화된 격자 상수는 3.52 Å로 실험 결과와 일치합니다[53, 54]. MoTe₂의 밴드 구조에서 명확하게 알 수 있습니다. MoTe₂ 단층은 1.14 eV의 밴드갭을 갖는 반도체이며, 이는 실험 결과와도 일치합니다[22, 23]. 그래핀과 MoTe₂일 때 단층은 이종 구조로 수직으로 적층되며, 평형 층간 거리는 3.53 Å이며, 이는 Sb-MoTe₂의 값과 비슷합니다. 헤테로구조(약 3.94 Å) [55]. 또한 그림 2에서 MoTe₂의 기하학적 구조가 그래핀-MoTe₂의 층 및 그래핀 층 이종 구조는 MoTe₂의 원래 구조와 거의 동일하게 유지됩니다. 단층과 그래핀은 이 두 층 사이의 상호 작용이 약함을 나타냅니다. 평형 구조의 결합 에너지 −0.85 eV는 Sb-MoTe₂의 결합 에너지보다 낮습니다. 이종 구조(약 -0.37 eV)[55]이므로 이종 구조는 에너지적으로 안정합니다. 두 층 사이의 평형 거리와 결합 에너지는 모두 graphene-hydrogenated phosphorus carbide[56], graphene-AsSb[29], graphene-SMoSe 및 graphene-SeMoS[30]와 같은 일반적인 vdW 그래핀 기반 헤테로구조의 것과 비슷합니다. , 그리고 그래핀-포스포렌[57]은 MoTe₂ 간의 상호작용을 나타냅니다. 그래핀은 약한 vdW 유형입니다.

(a)의 최적화된 구조의 평면도 및 측면도 ) 모테₂ 단층 및 (b ) 그래핀-MoTe₂ 이종 구조. 회색, 분홍색 및 녹색 공은 각각 탄소, 몰리브덴 및 텔루르 원자를 나타냅니다. 파란색 평행사변형은 2D 단위 셀을 나타냅니다.

MoTe₂의 전자 밴드 구조 단층. 연한 파란색 영역은 가전자대와 전도대 사이의 밴드 갭을 나타냅니다.

실제로 그래핀과 MoTe₂가 단층은 이종 구조를 형성하기 위해 쌓입니다. 그래핀-MoTe₂의 3차원 전하 밀도 차이 Δρ로 정의되는 이종 구조 =ρ _H − ρ _G − ρ _MT 계산되었습니다. 여기서 ρ _H , ρ _G , 및 ρ _MT 이종 구조의 전하 밀도, 분리된 그래핀 및 MoTe₂ 각각 단층. 결과는 그림 4a에 나와 있으며 파란색과 진한 분홍색 영역은 각각 전하 축적과 고갈을 나타냅니다. 분명히 파란색 영역은 MoTe₂ 바로 아래에 있습니다. 전자가 MoTe₂ 주위에 축적됨을 나타내는 층 층; 반면 그래핀 층은 짙은 분홍색 영역으로 둘러싸여 있어 그래핀 층 주위에 구멍이 축적됨을 의미합니다. 전하이동의 성질을 보다 명확하게 보기 위해 평면평균 〈∆ρ 〉, 3차원 전하 밀도 차이 Δρ의 평균값으로 정의 z가 있는 비행기에서 =상수 그래 핀 층에 평행 한 것은 그림 4a에서 파란색 선으로 표시되며 음수 값과 양수 값은 각각 전자 고갈 ​​및 축적을 나타냅니다. 결과는 일부 전자가 그래핀 층에서 MoTe₂로 이동함을 확인합니다. 층이며 〈∆ρ에 진동이 있습니다. 〉 그래핀과 MoTe₂ 모두에서 층. ELF(electron localization function)도 Fig. 4b에 나타내었는데, 이를 통해 그래핀 층 근처의 Te 원자 주변의 ELF 모양이 반대쪽 Te 원자 주변의 ELF와 확연히 다른 것을 알 수 있다. 이종 구조에서 층간 vdW 상호 작용의 존재.

아 그래핀-MoTe₂에서 위치에 따른 3D 전하 밀도 차이 및 평균 전하 밀도 차이(파란색 선) z를 따른 이종 구조 파란색과 진한 분홍색 영역은 각각 전자의 축적과 결핍을 나타냅니다. 수평 파선은 그래핀 층과 MoTe₂ 사이의 중심 위치를 표시합니다. 층. ㄴ 그래핀-MoTe₂의 전자 위치 파악 기능 isovalue가 0.7인 이종 구조

많은 물리적 특성은 밴드 구조 및 상태 밀도(DOS), 계산된 밴드 구조 및 그래핀-MoTe₂의 DOS에 의해 결정됩니다. 페르미 준위가 0으로 설정된 그림 5에 이종 구조가 나와 있습니다. 페르미 준위 주변의 그래핀 층의 디랙 원뿔은 여전히 ​​잘 보존되어 있습니다. 그러나 약 10.6 meV의 밴드 갭이 열립니다. 즉, 이종 구조에는 작지만 눈에 띄는 층간 결합이 있습니다. MoTe₂가 기부한 밴드 레이어는 MoTe₂의 반도체 특성을 보여줍니다. 직접적인 밴드 갭이 있는 레이어는 유지됩니다. MoTe₂의 밴드갭 층은 이종 구조에서 0.85 eV이며, 이는 격리된 MoTe₂에 대한 1.14 eV의 결과와 비교하여 변경됩니다. 단층. 그림 5에서 한 가지 두드러진 특징은 밴드 구조가 격리된 레이어 밴드의 단순 합으로 간주될 수 있다는 것입니다. 그래핀 층과 MoTe₂ 사이의 상호작용은 놀라운 일이 아닙니다. 층은 헤테로 구조의 각 구성 요소의 밴드 구조 특성을 수정하기에 충분하지 않으므로 밴드 구조에 대한 층간 상호 작용 효과가 매우 약합니다. 이것은 또한 vdW 상호 작용이 MoTe₂ 사이에서 지배적임을 나타냅니다. 이종 구조의 층 및 그래핀 층, 따라서 고유의 주요 특성을 보존합니다.

그래핀 층과 MoTe₂ 상태의 밴드 구조 및 부분 밀도 그래핀-MoTe₂의 층 이종구조

이종 구조의 접촉 특성은 장치 응용 분야에서 중요합니다. 그래핀-MoTe₂ 이종 접합 기반 트랜지스터가 설계되었으며 개략도가 그림 6a에 나와 있습니다. 여기서 MoTe₂ 단층은 채널 재료로 사용되며 그래핀은 소스 또는 드레인 및 게이트 전극으로 사용됩니다. 금속과 반도체의 일함수의 차이로 인해 경계면에서 띠가 휘게 되는데 이는 페르미 준위차(ΔE)로 추정할 수 있습니다. _F ), ΔE로 정의 _F =W _{G − MT} − 와 _MT , 여기서 W _{G − MT} 그리고 W _MT 이종 구조의 일 함수와 해당 MoTe₂ 각각 단층. 계산된 W _{G − MT} 그리고 W _MT 그림 6b와 같이 각각 4.36 eV와 4.84 eV입니다. 결과는 실험 값과 일치합니다[39]. 결과적으로 밴드 굽힘(ΔE _F )는 헤테로구조에서 약 0.48 eV이며, 이는 그래핀-수소화된 탄화인 헤테로구조의 결과와 유사합니다[56].

아 그래핀-MoTe₂의 개략도 이종 구조 기반 트랜지스터. ㄴ 그래핀-MoTe₂의 밴드 정렬 진공 수준에 대한 이종 구조, 여기서 빨간색 원뿔은 이종 구조에서 그래핀 층의 Dirac 점의 위치를 ​​나타냅니다. CBM과 VBM은 각각 전도대 최소값과 가전자대 최대값을 나타냅니다. 와 _G-MT 그리고 W _MT 그래핀-MoTe₂의 일함수 이종 구조 및 MoTe₂ 각각 단층

금속-반도체 이종구조의 가장 중요한 접촉 특성 중 하나는 수직 계면(그래핀 층과 MoTe₂ 사이)의 쇼트키 장벽입니다. 레이어)는 이종 구조의 인터페이스를 가로지르는 전류 흐름을 결정하므로 해당 장치 성능에 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 이종 구조의 반도체 유형에 따라 SBH는 n 유형 및 p 유형을 각각. n 유형 SBH(Φ _십 )는 반도체(E)의 전도대 최소값(CBM) 사이의 에너지 차이로 정의됩니다. _C ) 및 금속의 페르미 준위(E _F ), 즉 Φ _십 =E _C − E _F . 피 유형 SBH(Φ _Bp )은 금속의 페르미 준위와 반도체의 VBM(가전자대 최대값) 사이의 에너지 차이로 정의됩니다(E _V ), 즉 Φ _Bp =E _F − E _V . 그래핀-MoTe₂의 SBH 결과 이종 구조는 그림 6b에 나와 있습니다. 전하 이동으로 인해 페르미 준위는 MoTe₂의 가전자대 쪽에서 이동합니다. MoTe₂의 전도대 쪽에 단층 이종 구조의 SBH가 n임을 나타내는 이종 구조의 층 인터페이스에서 약 0.33 eV 값으로 입력하십시오. 즉, 헤테로 구조의 전하 전도는 주로 전자를 통해 이루어집니다.

이종 구조 기반 트랜지스터의 성능을 개선하려면 SBH를 조정하는 것이 바람직합니다. SBH는 외부 전기장과 평면 내 변형을 적용하여 조정할 수 있음이 입증되었습니다[29, 30, 58]. 다양한 외부 전기장에서 이종 구조의 밴드 구조에 대한 일련의 계산이 수행되었으며 결과는 그림 7에 나와 있습니다. 여기서 양의 외부 전기장의 방향은 MoTe₂ 층을 그래핀 층에 연결하고 음수 값은 반대 방향을 따릅니다. 쇼트키 접촉 영역에서 Φ _십 전기장과 대략적인 상향 선형 관계를 나타내는 반면 Φ _Bp 반대로 행동합니다. 이러한 결과는 양 및 음의 전기장이 페르미 준위가 MoTe₂의 VBM 및 CBM 쪽으로 이동할 수 있음을 시사합니다. 각각 이종 구조의 레이어입니다. 음의 전기장 아래에서 Φ _십 Φ보다 작습니다. _Bp 항상 쇼트키 장벽이 n임을 나타냅니다. 유형. 양의 전기장이 0보다 약간 크면 Φ _십 Φ보다 커지기 시작함 _Bp , 이는 쇼트키 장벽이 n에서 변경되었음을 의미합니다. p로 입력 그래핀-MoTe₂에 입력 상호 작용. 밴드 갭(약 Φ _십 및 Φ _Bp ) MoTe₂ 층은 외부 전기장 아래에서 거의 일정하게 유지되며, 이는 외부 전기장이 원래의 전자 특성에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 나타냅니다. 이것은 다음과 같이 이해할 수 있습니다. 외부 전기장은 CBM 및 VBM과 같은 원자가 전자의 에너지 고유 값을 변경할 수 있지만 상대 값은 변경되지 않으므로 밴드 갭이 일정하게 유지됩니다. 즉, 외부 전기장은 밴드 굽힘을 제외하고 밴드 구조를 변경할 수 없습니다. 또한 그림 7에서 양의 전기장이 1.0 V/nm보다 클 때 SBH가 음이 되는 것을 분명히 볼 수 있습니다. 이는 그래핀의 전자가 MoTe₂에 주입됨을 의미합니다. 장벽 없이 MoTe₂ 금속 전도성을 가지므로 Schottky-to-Ohmic 접촉 전이를 실현합니다. 강도가 1.0 V/nm를 초과할 때 음의 전기장의 경우, 이종 구조도 옴 접촉으로 조정될 수 있습니다. 이러한 모든 결과는 외부 전기장을 적용하는 것이 그래핀-MoTe₂의 SBH 및 접촉 유형을 조절하는 효과적인 전략임을 보여줍니다. 이종구조.

그래핀-MoTe₂의 쇼트키 장벽 높이 외부 전기장의 함수로서의 이종 구조. 파란색과 빨간색 영역은 쇼트키 접점을 p로 나타냅니다. 유형 및 n 유형을 각각. 회색 영역은 옴 접촉 영역을 표시합니다.

면내 이축 변형률의 함수로서 SBH도 계산되고 그 결과가 그림 8에 표시됩니다. 이축 변형을 적용하기 위해 z Te 원자의 좌표는 이완되고 다른 원자의 위치는 단위 셀의 크기를 변경한 후에도 고정된 상태로 유지됩니다. 변형은 n 유형 및 p 이종 구조를 입력하고 구동하여 옴 접점에 접근합니다. SBH의 변형 의존성의 거동은 전기장 의존의 거동과 매우 다릅니다. 상황은 훨씬 더 복잡해집니다. 넓은 변형 범위의 경우 Φ _십 Φ보다 작습니다. _Bp , 좁은 인장 변형률 범위에서만 Φ _Bp Φ보다 작게 유지 _십 . 즉, n의 변형 범위 -type SBH(변형률은 약 -10 ~ 4%)가 p보다 훨씬 넓습니다. 유형(약 4~7%). 인장 변형률이 7%에 도달하고 압축 변형률이 10%에 도달하면 이종 구조에 대한 저항 접촉도 나타납니다. MoTe₂의 밴드 갭이 헤테로 구조의 층은 쇼트키 접촉 영역의 변형률 변화에 따라 크게 변할 것이며, 이는 전기장의 경우 결과와 크게 다릅니다. 격자가 변형되면 평형 상태에서 벗어나 밴드 구조가 변경됩니다. 실제로 밴드 갭의 값뿐만 아니라 밴드 갭의 유형(직접 또는 간접)도 변형률에 의해 변경됩니다. 작은 변형의 경우 MoTe₂ 레이어는 큰 변형에 ​​대해 간접 밴드 갭으로 변경되는 동안 직접 밴드 갭으로 유지됩니다. 여기서, 실제 트랜지스터의 경우 Schottky-to-Ohmic 접점 전환을 구현하기 위한 실제 조건은 실제 상황으로 인해 계산된 결과와 다소 다를 수 있음을 지적해야 합니다.

그래핀-MoTe₂의 쇼트키 장벽 높이 변형률의 함수로서의 이종 구조. 파란색과 빨간색 영역은 쇼트키 접점을 p로 나타냅니다. 유형 및 n 유형을 각각. 회색 영역은 옴 접촉 영역을 표시합니다.

위의 결과는 외부 전기장과 평면 내 이축 변형을 적용하는 것이 SBH와 그래핀-MoTe₂의 접촉 유형을 제어하는 ​​효과적인 방법임을 시사합니다. 2D vdW 이종 구조 기반 전계 효과 트랜지스터를 설계하는 데 필수적인 이종 구조. 또한, 그래핀-MoTe₂ 이종 구조는 나노전자 및 광전자 장치에서 조정 가능한 쇼트키 다이오드에 적용될 수 있습니다.