二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质,结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中,其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力.能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留,同时,由于石墨烯的结合作用,二硫化钨呈现出n型半导体.通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型,层间距增大,肖特基将从p型转变为n型接触.三维电荷密度差分图表明,负电荷聚集在二硫化钨附近,正电荷聚集在石墨烯附近,从而在界面处形成内建电场.肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关,平面平均电荷密度差分图显示,随着层间距逐渐增大,界面电荷转移越来越弱,且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近,导致费米能级向上平移,证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变.本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.     

N、P掺杂硼烯/石墨烯异质结的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究了氮、磷掺杂对硼烯/石墨烯异质结的几何结构和电子性质的影响.结果表明,相较完整硼烯/石墨烯异质结的金属特性,氮、磷掺杂的硼烯/石墨烯异质结均表现为半导体特性.室温下的分子动力学模拟进一步论证了相关体系的动力学稳定性.研究结果能够为硼烯/石墨烯异质结在新型二维半导体材料中的应用提供参考价值.     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

硼烯/石墨烯异质结缺陷态电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论系统研究了硼烯-石墨烯异质结中缺陷态对体系电子结构特性的影响.发现缺陷态存在于石墨烯一侧时会破坏异质结结构;但缺陷态存在于硼烯一侧时异质结结构仍然会稳定存在,并且体系电子结构随缺陷态密度改变而发生明显变化:从无缺陷态时的金属特性变为多缺陷态时的半导体特性.常温下的分子动力学模拟进一步验证了相关体系的动力学稳定性.     

GaN/VSe2范德瓦耳斯异质结电接触特性及调控效应

降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要.鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe₂单层,本文理论构建GaN/1T-VSe₂异质结模型,并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基势垒特性及其调控效应.计算的形成焓及淬火分子动力学模拟表明构建的异质结是稳定的.研究表明:本征异质结为p型肖特基接触,同时发现施加拉伸或压缩应变,异质结始终保持p型肖特基接触不变,没有出现欧姆接触.而施加外电场则不同,具有明显的调控效应,较高的正向电场能使异质结从肖特基接触转变为欧姆接触,较高的反向电场能导致p型肖特基接触转变为n型肖特基接触.特别是实施化学掺杂,异质结较容易实现由肖特基接触到欧姆接触的转变,例如引入B原子能使GaN/1T-VSe₂异质结实现典型的欧姆接触,而C和F原子掺杂,能使GaN/1T-VSe₂异质结实现准欧姆接触.这些研究对该异质结的实际应用提供了理论参考,特别是对于研发新型高性能纳米场效应管具有重要意义.     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

肖特基结的制备与势垒测量

采用磁控溅射方法在Nb07％-SrTiO3基片上制作Au薄膜接触,并在氧气气氛下750℃退火30 min,在室温环境下测量电流电压和电容电压等特性曲线,观测整流特性,根据相应实验数据采用饱和电流法、电容C-2与反偏电压V成线性关系计算肖特基势垒的大小.     

套刻偏差对4H-SiC 浮动结结势垒肖特基二极管的影响研究

4H-SiC浮动结结势垒肖特基二极管与常规结势垒肖特基二极管相比在 相同的导通电阻条件下具有更高的击穿电压. 由p⁺埋层形成的浮动结与主结p⁺区 之间的套刻对准是实现该结构的一项关键技术. 二维模拟软件ISE的模拟结果表明, 套刻偏差的存在会明显影响器件的击穿特性, 随着偏差的增大击穿电压减小. 尽管主结和埋层的交错结构与对准结构具有相似的击穿特性, 但是当正向电压大于2 V后, 交错结构的串联电阻更大.     

Na或Cu掺杂对Si/NiO异质结的光电性能影响

利用磁控溅射方法制备了引入Na或Cu元素前后Si/NiO异质结。实验结果表明,Na元素引入后的Si/NiO：Na异质结的整流特性最佳。此时,Si/NiO：Na异质结光学透过率可以达到70%,这可能是由于Si/NiO：Na异质结的结晶质量较优、薄膜内缺陷少所致。Si/NiO：Na异质结I-V曲线的拟合结果显示界面态状态也会影响其整流特性。而Si/NiO和Si/NiO：Cu异质结都没能获得较好的整流特性,可能是薄膜内缺陷增多所致。这一结论得到了XRD、SEM、AFM和UV结果的支持。     

First principles study of the electronic properties and Schottky barrier in Cu2Si/C2N van der Waals heterostructures

Based on the first principles calculations, we have systematically investigated the electronic structures of Cu₂Si/C₂N van der Waals (vdW) heterostructures. We discovered that the electronic structures of Cu₂Si and C₂N monolayers are preserved in Cu₂Si/C₂N vdW heterostructures. There is a transition from the n-type Schottky contact to Ohmic contact when the interfacial distance decreases from 4.4 to 2.7 Å, which indicates that the Schottky barrier can be tuned effectively by the interfacial distance. Meanwhile, we find that the carrier concentration between the Cu₂Si and C₂N interfaces in the vdW heterostructures can be tuned. These findings suggest that the Cu₂Si/C₂N vdW heterostructure is a promising candidate for application in future nanoelectronics and optoelectronics devices.     

Tuning the Schottky barrier in the arsenene/graphene van der Waals heterostructures by electric field

Using density functional theory calculations, we investigate the electronic properties of arsenene/graphene van der Waals (vdW) heterostructures by applying external electric field perpendicular to the layers. It is demonstrated that weak vdW interactions dominate between arsenene and graphene with their intrinsic electronic properties preserved. We find that an n-type Schottky contact is formed at the arsenene/graphene interface with a Schottky barrier of 0.54 eV. Moreover, the vertical electric field can not only control the Schottky barrier height but also the Schottky contacts (n-type and p-type) and Ohmic contacts (n-type) at the interface. Tunable p-type doping in graphene is achieved under the negative electric field because electrons can transfer from the Dirac point of graphene to the conduction band of arsenene. The present study would open a new avenue for application of ultrathin arsenene/graphene heterostructures in future nano- and optoelectronics.     

不同N掺杂构型石墨烯的量子电容研究

超级电容器是一种利用界面双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储能的装置, 其特点是功率密度高、循环寿命长. 制备出兼有高能量密度的电极材料是当前超级电容器研究的重点. 以提高电容储能为目标, 通过掺杂N原子来调制石墨烯的电子结构, 使用基于密度泛函理论的第一原理计算了不同N掺杂构型石墨烯的态密度和能带结构, 拟合出了石墨烯的量子电容, 分析了量子电容储能提升的原因.     

Effect of graphene tunnel barrier on Schottky barrier height of Heusler alloy Co_2MnSi/graphene/n-Ge junction

We demonstrate that the insertion of a graphene tunnel barrier between Heusler alloy Co_2MnSi and the germanium(Ge) channel modulates the Schottky barrier height and the resistance–area product of the spin diode. We confirm that the Fermi level is depinned and a reduction in the electron Schottky barrier height(SBH) occurs following the insertion of the graphene layer between Co_2MnSi and Ge. The electron SBH is modulated in the 0.34 eV–0.61 eV range. Furthermore,the transport mechanism changes from rectifying to symmetric tunneling following the insertion. This behavior provides a pathway for highly efficient spin injection from a Heusler alloy into a Ge channel with high electron and hole mobility.     

The modulation of Schottky barrier height of NiSi/n-Si Schottky diodes by silicide as diffusion source technique

This paper reports that the Schottky barrier height modulation of NiSi/n-Si is experimentally investigated by adopting a novel silicide-as-diffusion-source technique, which avoids the damage to the NiSi/Si interface induced from the conventional dopant segregation method. In addition, the impact of post-BF₂ implantation after silicidation on the surface morphology of Ni silicides is also illustrated. The thermal stability of Ni silicides can be improved by silicide-as-diffusion-source technique. Besides, the electron Schottky barrier height is successfully modulated by 0.11~eV at a boron dose of 10¹⁵~cm^-2 in comparison with the non-implanted samples. The change of barrier height is not attributed to the phase change of silicide films but due to the boron pile-up at the interface of NiSi and Si substrate which causes the upward bending of conducting band. The results demonstrate the feasibility of novel silicide-as-diffusion-source technique for the fabrication of Schottky source/drain Si MOS devices.