二硫化钼纳米薄膜能带及功函数调控的第一性原理研究

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类石墨烯二维材料MoS2,由于其新颖的结构特性和独特的物理性质从而被广泛应用于场效应晶体管、新型光电器件和自旋电子器件、传感、催化与清洁可再生能源等诸多领域。然而,在工业制备和应用过程中,MoS2材料往往存在一些对其电学性能造成影响的因素:与电极接触的晶格失配应变、栅介质材料体空位和费米钉扎效应等。如何寻找高质量的MoS2作为沟道材料仍然是薄膜晶体管领域的研究热点。本论文中,我们基于第一性原理计算方法系统地研究了关于不同厚度、硫原子空位和氧原子杂质的MoS2薄膜及MoS2(0001)/44′Au(111)堆叠结构的功函数与能带。主要内容如下:(1)首先研究了不同应变状态对MoS2带隙的影响。压应变会使带隙先上升后下降,拉应变下降迅速。随着层数增加,带隙变化规律趋势一致。然后探索了不同层数和层间距离对MoS2能带和功函数影响:随着层数增加,能带下降并趋向块体带隙。功函数局域有序,然而在平衡间距,功函数增加趋势较为明显。进一步,对带隙进行简单的量化表达。该量化表达式可以作为选取MoS2的结构参数来调控MoS2的带隙的理论依据。(2)计算了单层MoS2的硫原子空位浓度的能带和电子功函数性质,主要分析了不同硫空位浓度的能带变化和电子功函数变化。随着空位浓度的增加,在能带性质方面,空位体系会使得带隙值下降,特殊的位置掺杂硫和氧原子会使MoS2变成金属性质;在功函数方面,硫原子浓度增加使得功函数增加(由于基底原因有所偏差),氧原子浓度增加使得功函数小范围波动。为MoS2精密器件应用提供了理论支撑。(3)通过建立Au/MoS2堆叠结构的原子模型,研究了不同硫原子空位对其能带性质与等效功函数的影响。等效功函数随着硫原子浓度增加而增加,但增量变小。硫原子空位的引入可以降低肖特基势垒,使Au/MoS2呈现欧姆接触类型。
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