外電場調控V2NO2/MoGe2N4異質結界面性質的第一性原理

王澤，白麗娜，牛麗

外電場調控V2NO2/MoGe2N4異質結界面性質的第一性原理

王澤，白麗娜，牛麗

（哈爾濱師范大學 物理與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

MA2Z4；異質結；肖特基勢壘；第一性原理

2020年，HONG[1]670等用化學氣相沉積（CVD）方法成功制造了MoSi2N4（MSN）單層，它是由上下兩個Si-N原子層中間夾著MoN2單層構成的．這種獨特的結構具有比其他二維材料更優異的性能，如室溫下的良好穩定性、顯著的載流子遷移率[1]670、突出的壓電性[2]和高晶格熱導率[3]等．MSN單層優良的物理化學性質，讓研究人員開始了有關MA2Z4家族（M代表過渡金屬元素，A代表Si或Ge元素，Z代表N，P或As元素）的研究，例如：采用第一性原理計算預測了72種可在動力學上穩定的，類似于MoSi2N4的二維結構[1]671．MA2Z4家族中M，A，Z 三種組成元素的多樣性，使它們的電子結構、物理和化學性質具有廣泛的可調性，使其在電子、光電和自旋電子器件中展現出巨大應用潛力．

基于MA2Z4和MXenes二者多樣可調諧的本征性質，將MXenes集成在MA2Z4單層上，對于實現可調諧的金屬-半導體接觸（M-S結）有著很好的前景．本文通過第一性原理計算研究了V2NO2/ MoGe2N4異質結在不同堆疊下的結構，以及最穩定構型下的能帶結構、電子結構，并且通過計算發現V2NO2/ MoGe2N4異質結可以在外部電場作用下調節肖特基勢壘高度和接觸類型．研究結果揭示了V2NO2/ MoGe2N4異質結構是一種新型可調的金屬/半導體接觸，具有應用于肖特基電子器件的良好潛力，并豐富了MXenes/MA2Z4界面接觸的研究，為實驗和理論工作提供了參考．

1 計算方法

2 結果與討論

2.1 結構與穩定性

圖1 MoGe2N4結構、能帶結構及狀態密度和聲子譜

圖2 V2N 的結構圖和能帶結構及狀態密度

圖3 V2NO2/ MoGe2N4異質結的六種堆疊方式（分別稱為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ）

2.2 能帶結構和電子性質

圖4 V2NO2/ MoGe2N4異質結的結構、投影能帶結構和狀態密度

計算結果表明，界面區電荷存在明顯的分布調整，電荷積累主要集中在V2NO2單層周圍，而電荷耗盡主要集中在MoGe2N4單層周圍，表明單層之間存在電荷轉移．由于電荷重新的分布，形成一個由單層MoGe2N4指向單層V2NO2的微弱內建電場．V2NO2/ MoGe2N4肖特基結的有效靜電勢見圖5c（綠色和黃色分別為電荷耗盡和電荷積累）．可以觀察到功能化的MXene材料V2NO2和二維半導體材料MoGe2N4之間存在著電勢差，這也印證了由于電荷轉移在MoGe2N4與V2NO2層之間存在著內建電場．

圖5 V2NO2/MoGe2N4異質結電子性質

2.3 電場對肖特基勢壘的調控

圖6 異質結在外電場作用下的肖特基勢壘和能帶結構的變化

3 結論

本文采用第一性原理計算對金屬V2NO2和半導體MoGe2N4的本征性質及界面特性進行了研究．V2NO2具有類金屬特性，MoGe2N4為間接帶隙半導體特性．金屬V2NO2和半導體MoGe2N4為型肖特基接觸，在外部電場調制下，金屬V2NO2和半導體MoGe2N4的界面接觸類型由型肖特基接觸變成了歐姆接觸．說明電場可以有效地調節肖特基勢壘的接觸類型，V2NO2/ MoGe2N4是一種很有前途的高性能肖特基納米器件．

[1] HONG Y L，LIU Z，WANG L，et al．Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4materials[J]．Science，2020，369（6504）：670-674．

[2] Mortazavi B，Javvaji B，Shojaei F，et al．Exceptional piezoelectricity，high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4family confirmed by first-principles[J]．Nano Energy，2021，82：105716．

[3] YU J，ZHOU J，WAN X，et al．High intrinsic lattice thermal conductivity in monolayer MoSi2N4[J]．New Journal of Physics，2021，23（3）：033005．

[4] Naguib M，Kurtoglu M，Presser V，et al．Two‐dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2[J]．Advanced Materials, 2011，23（37）：4248-4253．

[5] Anasori B，Xie Y，Beidaghi M，et al．Two-dimensional，ordered，double transition metals carbides（MXenes）[J]．ACS nano， 2015，9（10）：9507-9516．

[6] Ng V M H，HUANG H，ZHOU K，et al．Recent progress in layered transition metal carbides and/or nitrides（MXenes）and their composites：synthesis and applications[J]．Journal of Materials Chemistry A，2017，5（7）：3039-3068．

[7] Bl?chl P E．Projector augmented-wave method[J]．Physical Review B，1994，50（24）：17953．

[8] Alfe D，Gillan M J，Price G D．The melting curve of iron at the pressures of the Earth′s core from ab initio calculations[J]．Nature， 1999，401（6752）：462-464．

[9] LIU Y，STRADINS P，WEI S H．Van der Waals metal-semiconductor junction：Weak Fermi level pinning enables effective tuning of Schottky barrier[J]．Science Advances，2016，2（4）：e1600069．

[10] Mortazavi B，Javvaji B，Shojaei F，et al．Exceptional piezoelectricity，high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4family confirmed by first-principles[J]．Nano Energy，2021，82：105716．

[11] SI C，LIU J，XU Y，et al．Functionalized germanene as a prototype of large-gap two-dimensional topological insulators[J]．Physical Review B，2014，89（11）：115429．

[12] Bardeen J．Surface states and rectification at a metal semi-conductor contact[J]．Physical Review，1947，71（10）：717．

[13] LIU Y，ZHANG Q，ZHANG W，et al．Tuning Schottky barrier and contact type of metal semiconductor in Ti3C2T2/MoS2（T= F，O，OH）by strain：a first-principles study[J]．The Journal of Physical Chemistry C，2021，125（29）：16200-16210．

First-principles of external electric field regulates the interface properties of V2NO2/ MoGe2N4heterojunction

WANG Ze，BAI Lina，NIU Li

（School of Physics and Electronic Engineering，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

The fundamental properties of V2NO2and MoGe2N4and the electric field response of their heterostructured interfaces are systematically investigated using first principles calculations．V2NO2exhibits metallic like properties, while MoGe2N4exhibits indirect bandgap semiconductor properties. Heterojunctions constructed with two different structures have six different stacking methods, and all configurations have been optimized. The lowest energy configuration has been selected for electric field response characteristics analysis．The electric field response of the V2NO2/ MoGe2N4heterostructure is characterised by a van der Waals interaction，and the two structures maintain their intrinsic properties well in the heterostructure．The V2NO2/ MoGe2N4heterojunction can switch between-type Schottky contacts and Ohmic contacts under the modulation of an external electric field．The results show that V2NO2/ MoGe2N4is a tunable metal/semiconductor contact．

MA2Z4；heterojunction；Schottky barrier；first nature principle

O469

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.009

1007-9831（2024）02-0048-05

2023-06-27

王澤（1998-），女，黑龍江伊春人，在讀碩士研究生，從事凝聚態物理研究．E-mail：1217190773@qq.com

白麗娜（1981-），女，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事凝聚態物理研究．E-mail：shidabailina@163.com