费米能级脱钉的模拟研究

用密度泛函理论(DFT)研究了金属MoS₂接触中的费米能级钉扎和肖特基势垒高度。结果表明，通过控制金属与MoS₂之间的距离可以实现费米能级的去钉扎。特别是，通过适当的缓冲层和背栅结构的使用，在一些金属-MoS₂堆栈中肖特基势垒高度实际上可以归零，这对于获得欧姆接触是很重要的。在二维过渡金属二卤化物中，MoS₂是技术最成熟的半导体^[1]。MoS₂表面没有悬挂键，这可能提高人们对金属-MoS₂界面弱费米能级钉扎(FLP)的预期，从而很好地控制肖特基势垒高度(SBH)和金属功函数(WF)。然而，据实验报道，SBH-WF曲线的斜率只有0.09^[2]。尽管实验中测量的FLP可能主要是由MoS₂结构中的缺陷引起的^[2]，即使对于理想的MoS₂层，一些基于密度泛函理论(DFT)计算的报告预测了金属诱导界面能带态(IGS)的大密度，这对实际测试结构中测量的FLP有贡献，并且为金属-MoS₂系统的FLP设定了下限。在本文中，我们报道了无缺陷金属-MoS₂接触中FLP和SBH的方法学指南和新的密度泛函理论结果。我们讨论了费米能级脱钉的条件，这是设计SBH和实现金属-MoS₂接触的欧姆行为的先决条件。为了评估SBH和FLP，提取了MoS₂与Au之间不同距离d的偏态密度(PDO)。对于d=0.8 nm，MoS₂层的PDO与隔离材料(E_gap≈1.8 eV)一致，没有IGS。此外，通过将电子/空穴的SBH(ϕ_e/ϕ_h)定义为导带/价带边(C_b/V_b)与费米能级(EF)之差，所提取的SBH符合肖特基-莫特规则，对于Au，功函数WF=5.5 eV，MoS₂亲和势为4.2 eV。相反，对于较短的d值(图3b和图c)，IGS密度显著增加，从而钉扎EF并影响SBH。对MoS₂-Al堆栈也观察到了类似的结果，在d处，MoS₂带隙有很大的PDO增加，这钉住了EF。相反，对于d=0.8 nm，SBH约为零，与Al板材的WF=4 eV一致。所报道的FLP和SBH的DFT结果为实现金属-MoS₂欧姆接触提供了有用的见解。对于无缺陷的MoS₂层，为了能够调制SBH，金属-MoS₂距离d的控制是关键的，这可以通过结构的有效背栅来进一步调整。这要归功于在金属和MoS₂之间插入适当的缓冲层。事实上，在最近的文献中已经探索了这样一种可能的金属-MoS₂接触的工程，取得了一些初步但令人鼓舞的结果。

[1] Radisavljevic B, Radenovic A, Brivio J, Giacometti V, Kis A. Single-layer MoS2 transistors. Nat Nanotechnol 2011 Mar;6(3):147–50.

[2] Kim C, Moon I, Lee D, Choi MS, Ahmed F, Nam S, et al. Fermi level pinning at electrical metal contacts of monolayer molybdenum dichalcogenides. ACS Nano 2017 Feb 28;11(2):1588–9.

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