中国计量大学舒海波教授团队InfoMat：高通量筛选逼近肖特基-莫特极限的二维TMD基范德华金属-半导体异质结

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摘要

中国计量大学舒海波教授课题组提出利用二维过渡金属硫族化物的晶相工程去构建其范德华金属-半导体异质结，通过高通量第一性原理计算方法筛选逼近或具有肖特基-莫特极限的金属-半导体异质结体系。

二维原子层厚度的过渡金属硫族化合物(TMD)因为其独特的结构特性和优异的光电性质成为制备纳米级电子和光电子器件的重要候选材料。形成良好的金属-半导体接触对于发展高性能的TMD基光电器件尤为重要，且金属-半导体结的接触特性依赖于界面的接触势垒，即肖特基势垒。在理想情况下，金属-半导体结的肖特基势垒的大小可以依据肖特基-莫特规则通过改变金属电极的功函数进行调节。但是，常规的金属-TMD结会因为不可避免的界面结构无序和强化学键耦合所产生的界面态，形成费米钉扎和肖特基势垒的不可调，从而极大地影响了TMD基器件的光电性能。因此，消除或减弱TMD基金属-半导体异质结的费米钉扎效应对于改善其接触特性及其器件的光电性能具有重要的意义。近日，中国计量大学舒海波教授课题组提出利用二维TMD材料的晶相工程策略去构筑其范德华金属-半导体异质结，利用其弱界面耦合去消除金属-半导体界面的费米钉扎效应，并通过高通量第一性原理计算方法从2880种TMD基金属-半导体异质结中筛选具有逼近肖特基-莫特极限的范德华异质结体系。

该工作以“High-throughput screening of phase-engineered atomically thin transition metal dichalcogenides for van der Waals contacts at the Schottky-Mott limit”为题，发表在国际高水平权威学术期刊InfoMat上，本文的第一作者为研究生李妍炎，通讯作者为舒海波教授，中国计量大学为通讯单位。

主要内容

该工作以图1所显示的高通量计算筛选流程，通过考虑金属(M)和硫族(X)元素组合以及可能形成的晶相形成初始的TMD材料数据库；进而通过稳定性分析、能带结构计算，依据TMD材料的带隙将其分类成半导体和金属；然后，通过构建其范德华异质结，依据稳定性分析、肖特基势垒、费米钉扎强度和隧穿几率，最后筛选出符合肖特基-莫特规则的范德华金属-半导体异质结体系。

图1. (A) TMD基范德华金属-半导体异质结的高通量筛选流程；(B)元素周期表中组成TMD材料的过渡金属元素和硫族元素；(C) TMD材料可形成的晶相。

依据上述的筛选规则，该文首先对285种单层的TMD结构的稳定性进行分析，通过其形成焓、声子谱和带隙筛选出了具有高稳定性的64种金属和45种半导体。研究结果如图2所示，金属性TMD的功函数和半导体性TMD的带隙不仅依赖其元素组成，而且敏感其晶相的变化。例如，单层TMD材料的功函数随同族金属或硫族元素的质量数增加而减小。在这些金属性的TMD材料中，T相的CrS2 (T-CrS2)具有最大的功函数（7.03 eV），而H相的ReSe2 (H-ReSe2)具有最小的功函数（3.94 eV）。较宽的功函数范围为不同接触类型的TMD基范德华金属-半导体异质结的设计提供了极大的自由度。

图2. (A) 285种单层TMD结构的形成焓热图；(B) 64种金属性TMD材料的功函数与其组成元素的依赖关系；(C) 45种半导体性TMD材料带隙和带边能的变化趋势。

根据如图3所示的能带示意图，金属-半导体异质结接触类型可划分为：p型欧姆接触、n型欧姆接触、肖特基接触。其中，具有较大功函数的TMD金属(如T-NiTe2)容易与TMD半导体形成p型欧姆接触，具有较小功函数的TMD金属(如H-TaS2)与TMD半导体容易形成n型欧姆接触，而具有中等功函数的TMD金属(如T-CoTe2)与TMD半导体倾向形成肖特基接触。通过第一性原理计算，研究人员对728种范德华金属-半导体异质结依据接触类型进行了预测（如图4所示），发现了129种金属-半导体结具有n型欧姆接触特性，104种金属-半导体结具有p型欧姆接触特性，以及495种肖特基结。该数据库为实验上选择和制备范德华金属-半导体异质结提供了重要的依据。

图3. (A) 范德华金属-半导体异质结的接触类型；(B) 具有较低功函数TMD金属(T-NiTe2)与六种典型的TMD半导体带边能；(C) T-NiTe2/T-ZrSe2金属-半导体异质结的能带结构；(D) 具有较高功函数TMD金属(H-TaS2)与六种典型TMD半导体的带边能；(E) H-TaS2/H-MoSe2金属-半导体异质结的能带结构；(F) 具有中等功函数的TMD金属(T-CoTe2)与六种典型TMD半导体的带边能；(E) T-CoTe2/T-PtSe2金属-半导体异质结的能带结构；

研究人员进一步研究了筛选出的范德华金属-半导体异质结的费米钉扎强度。研究结果显示这些范德华金属-半导体异质结的费米钉扎强度绝对值在0.6~0.9之间，远大于常规金属-TMD结的费米钉扎强度(0.001~0.25)，这说明范德华异质结的形成有利于降低费米钉扎，其肖特基势垒的变化接近于肖特基-莫特极限。进一步电子结构的分析显示，强界面耦合的Au/TMD异质结会在其TMD半导体(如MoSe2)的带隙中形成带隙态或金属导致的界面态(MIGS)，而TMD基范德华金属-半导体异质结并没有带隙态，该结果证实了范德华异质结的弱耦合有助于压制费米钉扎效应。

图4. 728种TMD基范德华金属-半导体异质结的接触类型预测。

图5. (A) MoSe2基和ZrSe2基范德华金属-半导体结的肖特基势垒与费米钉扎因子的预测；(B) TMD基金属-半导体结费米钉扎因子与界面能的依赖关系；(C) Au/MoSe2金属-半导体结中MoSe2的态密度分布；(D) H-TaS2/MoSe2范德华金属-半导体结中MoSe2的态密度分布。

研究人员进一步通过理论计算预测了TMD基范德华金属-半导体异质结的隧穿几率，并发现载流子隧穿几率的大小与金属-半导体界面耦合强度呈现近似线性的关系。这意味着界面耦合强度越强，异质结的载流子隧穿几率越大。对于金属-半导体异质结而言，一般期望其有较高的载流子隧穿几率和较弱的费米钉扎。因此，TMD基范德华金属-半导体异质结的载流子隧穿几率与费米钉扎强度实际上是一种竞争关系。该工作认为具有中度界面耦合强度的范德华金属-半导体异质结可能具有最优的接触性能。

图6. (A) H-MoSe2/T-NiTe2范德华金属-半导体结的静电势分布以及隧穿几率预测参数；(B) TMD基金属-半导体结载流子隧穿几率与界面能的依赖关系；(C/D) T-CoTe2/T-ZrSe2和H-TaS2/T-ZrSe2金属-半导体结的态密度分布。

采用肖特基势能、费米钉扎强度因子、载流子隧穿几率等参数作为描述符，研究人员从728种TMD基金属-半导体异质结中筛选出了8种具有高隧穿几率、弱费米钉扎的异质结体系，其中具有欧姆接触特性的4种异质结被显示在图7中。这项研究为深入理解TMD基范德华金属-半导体异质结的接触特性提供了重要基础，并为基于TMD材料设计新型纳米电子和光电子器件带来了新的思路。

图7. (A) T-NiTe2/T-ZrSe2, (B) T-NiTe2/T-PdSe2, (C) T-HfTe2/T-PdTe2和 (D) H-TaSe2/H-MoTe2金属-半导体结的能带结构、平均静电势分布和载流子隧穿几率。

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《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，是由教育部主管，电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊（月刊）。本刊聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，旨在打造电子信息领域的世界顶尖期刊，推动电子信息技术与多学科交叉的共同发展。期刊2022年度影响因子为22.7，JCI指数2.37，5年影响因子22.7，2022年度CiteScore为35.6，SNIP指标为3.344。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。期刊先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库。

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