金襯底調(diào)控單層二硫化鉬電子性能的第一性原理研究-jactccom

1、金襯底調(diào)控單層二硫化鉬電子性能的第一性原理研究原文地址：/view/1d4d290fe91a06043718237f72b06b60.html 金襯底調(diào)控單層二硫化鉬電子性能的第一性原理研究 張理勇 方糧 彭向陽(yáng) Tuning the electronic property of monolayer MoS2 adsorbed on metal Au substrate: a first-principles study Zhang Li-Yong Fang Liang Peng Xiang-Yang 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 64, 187101

2、 (2015) DOI: 10.7498/aps.64.187101 在線閱讀 View online: /10.7498/aps.64.187101 當(dāng)期內(nèi)容 View table of contents: /CN/Y2015/V64/I18您可能感興趣的其他文章 Articles you may be interested in GGA+U 的方法研究 Ag 摻雜濃度對(duì) ZnO 帶隙和吸收光譜的影響 GGA+U study on the effects of Ag doping on the electronic structures and absorption spectra of Z

3、nO 物理學(xué)報(bào).2015, 64(15): 157101 /10.7498/aps.64.157101 N-F 共摻雜銳鈦礦二氧化鈦 (101) 面納米管的第一性原理研究 N-F co-doped in titaninum dioxide nanotube of the anatase (101) surface: a first-principles study 物理學(xué)報(bào).2015, 64(14): 147103 /10.7498/aps.64.147103 金和銀的晶格反演勢(shì)的構(gòu)建及應(yīng)用 Application and foundation on inversion lattice pot

4、ential of gold and silver 物理學(xué)報(bào).2015, 64(14): 147101 /10.7498/aps.64.147101 BiTiO3 電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究 First-principles study of electronic and optical properties of BiTiO3 物理學(xué)報(bào).2015, 64(14): 147102 /10.7498/aps.64.147102 二氧化鈾電子結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)的第一性原理研究 Study on the electronic structure and elastic constants of

5、uranium dioxide by first principles 物理學(xué)報(bào).2015, 64(9): 097101 /10.7498/aps.64.097101物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin.Vol. 64, No. 18 (2015) 187101金襯底調(diào)控單層二硫化鉬電子性能的 第一性原理研究?張理勇 1)2) 方糧 1)2)? 彭向陽(yáng) 3)410072) 1) (國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 高性能計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 2) (國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 3) (湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 湘潭 410072) 411005)( 2015 年 3 月 24 日收

6、到; 2015 年 5 月 16 日收到修改稿 )基于密度泛函的第一性原理研究了金襯底對(duì)單層二硫化鉬電子性能的調(diào)控作用. 從結(jié)合能、 能帶結(jié)構(gòu)、 電 子態(tài)密度和差分電荷密度四個(gè)方面進(jìn)行了深入研究. 結(jié)合能計(jì)算確定了硫原子層在界面的排布方式, 并指出 這種吸附結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定. 能帶結(jié)構(gòu)分析證實(shí)了金襯底與單層二硫化鉬形成肖特基接觸, 并出現(xiàn)釘扎效應(yīng). 電 子態(tài)密度分析表明金襯底并沒(méi)有影響硫原子和鉬原子之間的共價(jià)鍵, 而是通過(guò)調(diào)控單層二硫化鉬的電子態(tài)密 度增加其導(dǎo)電率. 差分電荷密度分析表明單層二硫化鉬的導(dǎo)電通道可能在界面處產(chǎn)生. 研究結(jié)果可對(duì)單層二 硫化鉬晶體管的建模和實(shí)驗(yàn)制備提供指導(dǎo).關(guān)鍵詞: 二

7、硫化鉬, 金襯底, 電子性能, 第一性原理 PACS: 71.15.Mb, 68.43.Bc, 82.65.+r DOI: 10.7498/aps.64.187101在機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)化中發(fā)揮作用 8 . 通過(guò)溫度 9 、1 引言1應(yīng)力 10,11 、 摻雜等 12 方式可以調(diào)控單層硫化鉬的 電磁性能. , 其他二維3近年來(lái), 隨著石墨烯被成功制備 層狀納米材料如黑磷2單層二硫化鉬具有天然的帶隙， 很有可能成為 下一代晶體管的導(dǎo)電溝道材料. Kis 等 13 在 2011 年第一次制備了單層二硫化鉬晶體管, 晶體管電流 開(kāi)關(guān)比達(dá)到 108 , 遷移率達(dá)到 200 cm2 /(Vs), 其優(yōu) 良的

8、電學(xué)特性可以用于制備低功耗電子器件. 同 年, Kis 等實(shí)現(xiàn)了 “或非” 電路理論上以 “或非” 電路 為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)所有集成電路的運(yùn)算功能. Palacios 等 14 在 2012 制備了基于雙層二硫化鉬的環(huán)形 震蕩器, 該集成電路中晶體管增強(qiáng)型和耗盡型模式 的實(shí)現(xiàn)利用了頂柵電極不同金屬具有不同功函數(shù) 的特征. 其他學(xué)者還研究了改進(jìn)單層二硫化鉬晶體 管性能的方法 15?17 . 上述二硫化鉬晶體管的源漏 電極都采用金電極, 或者金/鈦電極. 文獻(xiàn) 4 的結(jié) 果顯示金電極和二硫化鉬之間形成歐姆接觸. 而文、 過(guò)渡金屬硫化物等也吸引了眾多領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注. 二硫化鉬 (MoS2 ) 由

9、三層原子層構(gòu)成, 中間一層為鉬原子層, 上下兩層均為硫原子層, 鉬原子與硫原子以共價(jià)鍵 結(jié)合形成二維原子晶體. 多層二硫化鉬由若干單層 二硫化鉬組成層間存在弱的范德瓦耳斯力, 層間距 約為 0.65 nm4. 單層二硫化鉬可以通過(guò)機(jī)械剝離5的方法直接從二硫化鉬晶體中得到, 也可以采用化 學(xué)氣相沉積等方法制備 . 由于量子限制效應(yīng)6的影響, 單層二硫化鉬表現(xiàn)出許多優(yōu)于塊二硫化鉬 晶體的力學(xué)、 電子、 光學(xué)性質(zhì). 單層二硫化鉬為直接 帶隙結(jié)構(gòu), 可以用于制備光電晶體管 7 ; 單層二硫 化鉬還具有壓電效應(yīng), 可以應(yīng)用于壓電傳感器以及? 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (批準(zhǔn)號(hào): 61332003) 資助

10、的課題. ? 通信作者. E-mail: lfang? 2015 中國(guó)物理學(xué)會(huì) Chinese Physical Society 187101-1物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin.Vol. 64, No. 18 (2015) 187101獻(xiàn) 18 指出, 金屬與二硫化鉬接觸界面性質(zhì)與費(fèi)米 能級(jí)釘扎效應(yīng)相關(guān), 功函數(shù)低的金屬能改善接觸性 能, 提高電子發(fā)射率, 降低接觸電阻. 將單層二硫 化鉬裁剪為納米條帶, 根據(jù)納米條帶邊緣形狀分為 扶手和鋸齒形, 鋸齒形具有金屬性, 扶手形保持半 導(dǎo)體性質(zhì)19金原子位置保持不變, 代表金的體相結(jié)構(gòu), 而剩余 的 A, B 兩層原子允許弛豫優(yōu)化,

11、單層二硫化鉬的 原子層都允許弛豫優(yōu)化. 為了避免 Z 軸方向原子 之間的相互影響, 在 Z 軸上方增加了 15 ? 的真空 層. 金的晶格常數(shù) a = 4.08 ?, 圖 1 (a) 中紅色菱 形的邊長(zhǎng)為 2.885 ?, 與優(yōu)化后的二硫化鉬晶格常 數(shù) a = 3.182 ? 不同, 存在一定的晶格失配. 為簡(jiǎn) 化計(jì)算, 本文將金的晶格常數(shù)放大 10.3%. 引入鈦 (0001) 面吸附單層二硫化鉬作為對(duì)比, 鈦的晶格常 數(shù)為 2.95, 與單層二硫化鉬具有更好的匹配性能. 計(jì)算結(jié)合能時(shí)加入范德瓦耳斯力修正. 與石墨烯轉(zhuǎn)化為扶手納米條帶時(shí)遷20移率下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)相比, 二硫化鉬扶手形納米條 帶

12、遷移率數(shù)值保持不變, 極性發(fā)生轉(zhuǎn)換 . 有V形21缺陷的鋸齒形納米條帶表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì) 屬, 可用于電極和傳輸線22. 通過(guò)吸附金屬, 扶手形納米條帶將從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為金 . 由于單層二硫化鉬獨(dú) 特的電子性質(zhì), 研究金電極與它的相互作用, 對(duì)于 制備和優(yōu)化單層二硫化鉬晶體管顯得尤為重要. 本 文基于密度泛函的第一性原理研究了金襯底對(duì)單 層二硫化鉬電子性能的調(diào)控作用, 確定了二硫化鉬 與金襯底接觸界面的排布方式, 能帶、 電子態(tài)密度 和差分電荷分析深入剖析了二硫化鉬電子性能改 變的微觀機(jī)理, 并與鈦襯底吸附單層二硫化鉬進(jìn)行 了對(duì)比.B A C B A Au Mo (a) S (b)圖1(網(wǎng)刊彩色)

13、 (a) 金襯底吸附單層二硫化鉬頂視圖,紅色菱形區(qū)域?yàn)槔碚撚?jì)算選取的原胞, 金色、 紫色、 黃色小 球分別代表金、 鉬、 硫原子; (b) 金襯底吸附單層二硫化鉬 側(cè)視圖, 金原子層 (111) 面按照 A, B, C, A, B 順序排列, 二硫化鉬 (0001) 面下層硫原子層采取金原子中 A 層的排 列方式 Fig. 1. (網(wǎng)刊彩色) (a) Top views of monolayer MoS2 on the Au substrate the red rhombus shows the units cell in the calculations, gold purple and y

14、ellow ball represents Au Mo and S respectively; (b) side views of monolayer MoS2 on the Au substrate, Au(111) lines as A, B, C, A, B, the S layer of MoS2 (0001) in the interface line as A of Au(111).1.1模型與計(jì)算方法幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用基于密度泛函理論平面波贗勢(shì)方法的 VASP (Vienna abinitio simulation package) 軟件包完成 23 . 原子實(shí) 和

15、價(jià)電子之間的相互作用通過(guò)綴加投影波方法 (projector-augmented wave method PAW) 贗勢(shì)來(lái) 描述. 平面波截?cái)嗄芰繛?400 eV. 電子間相互作用 的交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似的 Perdew-BurkeErnzerhof 24 方案處理. 布里淵區(qū)積分計(jì)算 K 點(diǎn) 網(wǎng)格采用 Monkhost-Pack 25 方法產(chǎn)生, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 計(jì)算采用 9 9 1, 能帶計(jì)算和態(tài)密度計(jì)算采用 19 19 1, 且都考慮自旋軌道耦合作用. 在優(yōu)化 單層二硫化鉬過(guò)程中, 對(duì)所有原子進(jìn)行完全弛豫, 單個(gè)原子能量收斂精度為 10 小于 0.01 eV/ ?. 金 襯 底 吸 附

16、單 層 二 硫 化 鉬 結(jié) 構(gòu) 中, 選 取 金 (111) 面 作 為 襯 底 金, 原 子 層 由 下 至 上 依 次 標(biāo) 記 為 A, B, C, A, B, 如圖 1 (b) 所示. 單層二硫化鉬 (0001) 面下層硫原子與金原子 B 層結(jié)合, 硫原子分 別可以采取 A, B, C 三種排布方式通過(guò)比較結(jié)合 能大小的方式確定硫原子層的最優(yōu)排布. 理論計(jì) 算中, 選取 1 1 8 共 8 個(gè)原子的原胞, 如圖 1 (a) 中紅色菱形所示. 其中自底向上的 A, B, C 三層187101-2?42 結(jié)果與討論為了深入研究金襯底與單層二硫化鉬相互作 用的機(jī)理, 本文首先通過(guò)計(jì)算結(jié)合能來(lái)確

17、定吸附系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和最終形態(tài), 并與鈦 (0001) 面吸附結(jié)果 對(duì)比. 金襯底吸附單層二硫化鉬結(jié)構(gòu)中, 硫原子層共 有 A, B, C 三種排布方式. 初始狀態(tài)下, 二硫化鉬 (0001) 面的下層硫原子與金原子層的距離為 2.7 ?. 表 1 給出了晶格結(jié)構(gòu)弛豫以后金原子層與硫原子 層之間的距離. 硫原子采取 A 和 C 兩種排布方式 時(shí), 弛豫之后的距離增加; 硫原子采取 B 排布方式 時(shí), 弛豫以后的距離減小. 為了比較不同硫原子不 同排布方式的穩(wěn)定性定義結(jié)合能的計(jì)算公式 Eab = Etotal ? EAu ? EMoS2 , (1)eV, 每個(gè)原子受力物 理 學(xué) 報(bào) Acta P

18、hys. Sin.Vol. 64, No. 18 (2015) 187101其中 Eab , Etotal , EAu , EMoS2 分別表示結(jié)合能、 金 襯底吸附單層二硫化鉬之后的總能量、 金原子層的 能量和單層二硫化鉬的能量. 結(jié)合能是吸附穩(wěn)定性 的判定標(biāo)準(zhǔn), 硫原子采取 A 和 C 兩種排布方式的結(jié) 合能數(shù)值比 B 結(jié)合能略大, 說(shuō)明 B 排布方式更加穩(wěn) 定. 但是 A, B, C 三種排布方式的結(jié)合能都大于 0, 說(shuō)明本質(zhì)上這三種吸附結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定, 這一點(diǎn)與物表1理實(shí)驗(yàn)中金的黏附力不強(qiáng)、 不能直接沉積作為電極 相符合 14 . 鈦吸附單層二硫化鉬結(jié)構(gòu)中, 結(jié)合能和 原子層間距離都明顯

19、下降, 說(shuō)明鈦吸附力更強(qiáng). 考 慮范德華力修正, 結(jié)合能要降低 1 eV 左右, 此時(shí)鈦 吸附的結(jié)合能小于零, 金吸附仍然大于零. 本文以 后的計(jì)算中, 單層二硫化鉬與金原子層結(jié)合都采用 B 層的排布方式.二硫化鉬與金和鈦原子層之間的距離以及結(jié)合能Table 1. Distance and binding energy between Au Ti and MoS2 . 金原子層 距離/ ? 2.7757 2.5286 2.7301 結(jié)合能/eV 2.4561 2.2168 2.4188 距離/ ? 1.8435 2.5101 1.5582 鈦原子層 結(jié)合能/eV 0.3650 1.0424 0

20、.2445硫原子層排布方式 A B C? (a)單層二硫化鉬之后的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度, 如 圖 2 和圖 4 所示, 圖 2 中綠色虛線表示將費(fèi)米能級(jí) 調(diào)整至 0 eV.1.67 eVEnergy/eV單層二硫化鉬的帶隙為 1.67 eV, 與劉俊等 26 的計(jì)算結(jié)果 1.77 eV 接近, 都小于實(shí)驗(yàn)值 1.9 eV 27 . 本文計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)考慮了自旋軌道耦合, 自旋分 裂導(dǎo)致價(jià)帶頂能級(jí)上升, 所以帶隙小于文獻(xiàn) 26. 金襯底吸附單層二硫化鉬后, 能帶穿越費(fèi)米能級(jí),? G M K G整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出金屬性. 通過(guò)仔細(xì)對(duì)比圖 2 (a) 與 圖 2 (b) 可以發(fā)現(xiàn), 實(shí)際上圖 2 (a)

21、中單層二硫化鉬 能帶結(jié)構(gòu)保存的比較完整, K 點(diǎn)附近的禁帶繼續(xù)保 留. 圖 2 (b) 之所以變得復(fù)雜是因?yàn)榀B加了金原子 的能帶結(jié)構(gòu).? (b)Energy/eV?0.6 eV0.8Pd?/eVRu 0.7?EC? BO=m? G M K GIr圖2(網(wǎng)刊彩色) (a) 單層二硫化鉬能帶結(jié)構(gòu), 紅色數(shù)字0.6 5.0 Au 5.2?EF表示直接帶隙為 1.67 eV; (b) 金襯底吸附單層二硫化鉬后 的能帶結(jié)構(gòu), 紅色數(shù)字表示金與單層二硫化鉬的肖特基勢(shì) 壘為 0.6 eV Fig. 2. (color online) (a) The band structure of monolayer M

22、oS2 , red numbers point out the bang gap is 1.67 eV; (b) the band structure of monolayer MoS2 on the Au substrate, red numbers points out the Schottky barrier between Au and monolayer MoS2 is 0.6 eV.?Ev5.45.65.86.0?/eV圖3不同金屬襯底吸附單層二硫化鉬后, 接觸面肖特基勢(shì)壘與襯底金屬功函數(shù)關(guān)系圖, 插圖給出了定義肖特基勢(shì) 壘的示意圖, 其中 EF 表示金屬與單層二硫化鉬接觸后達(dá) 到

23、平衡狀態(tài)下的費(fèi)米能級(jí) Fig. 3. The relationship between the Schottky barrier of contact interface and the work function of Au, inset de?nes the Schottky barrier, EF represents Fermi energy after equilibrium.為了研究金襯底對(duì)單層二硫化鉬電子性質(zhì)的 影響, 本文還計(jì)算了單層二硫化鉬和金原子層吸附187101-3物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin.Vol. 64, No. 18 (2015) 187101通

24、過(guò) 與 文 獻(xiàn) 28 中 過(guò) 渡 金 屬 Ru(0001), Pd(111) 和 Ir(111) 吸附單層二硫化鉬結(jié)果對(duì)比, 如 圖 3 所示, Au 接觸面的肖特基勢(shì)壘 0.6 eV, 比 Ru 接 觸面的肖特基勢(shì)壘 0.72 eV 低 0.12 eV, 而 Au 的功 函數(shù) 5.1 eV 比 Ru 功函數(shù) 5.42 eV 低 0.32 eV, 肖特10 Number of states/eV (a) 8 6 4 2 0 -6基勢(shì)壘差與金屬功函數(shù)差不相等說(shuō)明金屬與單層 二硫化鉬接觸面中可能出現(xiàn)了釘扎效應(yīng). 但是單層 二硫化鉬非常薄, 不可能激發(fā)強(qiáng)烈的釘扎效應(yīng), 采 用金屬感生間隙態(tài)的理論解釋

25、金屬與單層二硫化 鉬接觸面的特殊效應(yīng)更加合理.S Mo-4-20 Energy/eV24610 Number of states/eV (b) 8 6 4 2 0 -6 Total Au S Mo-4-20 Energy/eV246圖4(網(wǎng)刊彩色)(a) 單層二硫化鉬態(tài)密度, 紅色線條表示硫原子的態(tài)密度, 天藍(lán)色線條表示鉬原子態(tài)密度,垂直于橫軸過(guò)零點(diǎn)的綠色虛線表示將費(fèi)米能級(jí)調(diào)整至 0 eV; (b) 金襯底吸附單層二硫化鉬后的態(tài)密度, 深藍(lán) 色表示吸附結(jié)構(gòu)總態(tài)密度, 綠色線條表示金原子的態(tài)密度, 紅色線條表示硫原子的態(tài)密度, 天藍(lán)色線條表示 鉬原子態(tài)密度 Fig. 4. (color onli

26、ne) (a) The density of states of monolayer MoS2 , red and sky blue lines represent the density of states of S and Mo respectively, the green dot line indicates adjusting the Fermi energy to 0 eV; (b) the density of states of monolayer MoS2 on Au, red sky blue green and blue lines represent the densi

27、ty of states of S Mo Au and total respectively.通過(guò)分析圖 4 (a) 可以發(fā)現(xiàn)硫原子和鉬原子的 態(tài)密度在導(dǎo)帶和價(jià)帶的重合度都很高, 表示兩種原 子之間存在比較強(qiáng)的共價(jià)鍵, 二硫化鉬的帶隙為 1.76 eV, 電子不會(huì)在這個(gè)區(qū)域出現(xiàn). 圖 4 (b) 中硫 原子和鉬原子態(tài)密度分布形狀與圖 4 (a) 基本相同, 但是整體上向橫軸負(fù)方向發(fā)生了接近 1 eV 的偏移, 導(dǎo)帶底接近費(fèi)米能級(jí), 表明硫原子和鉬原子在接近 費(fèi)米能級(jí)位置出現(xiàn)的概率顯著增加. 文獻(xiàn) 29 對(duì)鈦 原子層吸附單層二硫化鉬進(jìn)行了電子態(tài)密度分析, 結(jié)果同樣引起硫原子和鈦原子的態(tài)密度向橫軸

28、負(fù) 方向偏移, 偏移量更大. 熱平衡電子濃度公式: n0 = gc (E )fF (E ) d E, (2) 其中 n0 , gc (E ), fF (E ) 分別表示電子濃度、電子 態(tài)密度和費(fèi)米分布函數(shù). 由積分計(jì)算公式可知在fF (E ) 不變的情況下, 態(tài)密度 gc (E ) 右移將增大積 分結(jié)果的電子濃度 n0 . 硫原子和鉬原子的電子性 能受到金原子層的調(diào)控, 發(fā)生了比較明顯的變化, 尤其是在費(fèi)米能級(jí)附近, 隨著電子濃度增加, 電導(dǎo) 率也將增加. 根據(jù)文獻(xiàn) 29 的結(jié)論, 鈦原子層吸附 單層二硫化鉬時(shí), 電導(dǎo)率將變得更大. 為進(jìn)一步研究金原子層與單層二硫化鉬界面 的電荷轉(zhuǎn)移情況, 本

29、文計(jì)算了吸附后總的電荷密度 以及差分電荷密度: 吸附后總電荷密度減去吸附前 單層二硫化鉬電荷密度與金原子層電荷密度之和 得到的差值, 如圖 5 所示 30 . 從圖 5 (a) 中可見(jiàn)鉬原 子與硫原子通過(guò)一條很細(xì)的線條連接, 表示它們之 間形成了共價(jià)鍵, 這一點(diǎn)與分析態(tài)密度圖得出的結(jié) 論相同. 但是硫原子卻沒(méi)有與金原子形成共價(jià)鍵, 這一點(diǎn)與結(jié)合能大于 0 都說(shuō)明金襯底吸附單層二硫187101-4物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin.Vol. 64, No. 18 (2015) 187101化鉬并不穩(wěn)定. 圖 5 (b) 中的電荷密度比圖 5 (a) 小 兩個(gè)數(shù)量級(jí), 表明只是發(fā)生了很小

30、的電荷轉(zhuǎn)移. 從 圖 5 (b) 中看到, 下面四層金原子孤立出現(xiàn), 說(shuō)明吸 附前后這四層金原子的電荷密度基本上沒(méi)有發(fā)生 轉(zhuǎn)移. 界面處的硫原子和金原子上下出現(xiàn)天藍(lán)色的 小球, 表明此區(qū)域發(fā)生電荷移出, 界面處還出現(xiàn)三 層橙紅色圓環(huán), 表明此區(qū)域發(fā)生電荷積累. 金襯底 吸附單層二硫化鉬后, 在界面發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移, 下 層硫原子周圍的積累電荷可能形成導(dǎo)電通道.0.35 0.0026導(dǎo)電通道可能在界面處產(chǎn)生. 與其他半導(dǎo)體材料不 同, 在單層二硫化鉬中, 采用金作為電極并不是最 佳的選擇. 通過(guò)文中的對(duì)比發(fā)現(xiàn), 選擇鈦?zhàn)鳛殡姌O 將激發(fā)單層二硫化鉬中產(chǎn)生更多的導(dǎo)電載流子, 從 而提高單層二硫化鉬的導(dǎo)

31、電率, 達(dá)到提升單層二硫 化鉬電子器件遷移率等性能. 鈧由于功函數(shù)與單層 二硫化鉬電子親和能接近, 接觸電阻非常小, 也是 一種提升單層二硫化鉬電子器件性能的方法. 石墨 烯具有半金屬性質(zhì), 具有費(fèi)米能級(jí)容易被電場(chǎng)調(diào)控 的優(yōu)點(diǎn), 而且同樣是單層結(jié)構(gòu), 可以采用石墨烯作 為金屬電極. 綜上所述, 鈦、 鈧和石墨烯可能是比較 好的金屬電極. 本文的研究結(jié)果將對(duì)單層二硫化鉬 晶體管的建模和實(shí)驗(yàn)制備提供借鑒和指導(dǎo).0.16-0.0030參考文獻(xiàn)1 Ahn H S, Kim J M, Park C, Jang J W, Lee J S, Kim H,-0.03 (a) (b) -0.0086Kavian

32、y M, Kim M H 2013 Sci. Rep. 3 1960 2 Li L K, Yu Y J, Ye G J, Ge Q Q, Ou X D, Wu H, Feng D L, Chen X H, Zhang Y B 2014 Nat. Nanotechnol. 35 372 3 Jariwala D, Sangwan V K, Lauhon L J, Marks T J, Hersam M C 2014 ACS Nano 82 1102 4 Radisavljevic B, Radenovic A, Brivio J, Giacometti V, Kis A 2011 Nat. Na

33、notechnol. 6 147 5 Wang Q H, Kalantar Z K, Kis A, Coleman J N, Strano M S 2012 Nat. Nanotechnol. 7 699 6 Kuc A, Zibouche N, Heine T 2011 Phys. Rev. Lett. 83 245213 7 Yin Z Y, Li H, Li H, Jiang L, Shi Y M, Sun Y H, Lu G,圖5(網(wǎng)刊彩色)(a) 金襯底吸附單層二硫化鉬電荷密度圖, 等值面大小為 0.072 e/?3 , 右邊給出了顏色刻度, 單 位是 e/?3 ; (b) 金襯底吸

34、附單層二硫化鉬差分電荷密度 圖, 等值面大小為 0.0012 e/ ?3 Fig. 5. (color online) (a) The charge density of monolayer MoS2 on Au, the isosurface is 0.072 e/?3 , the right strip stands for density, the unit is e/ ?3 ; (b) the charge di?erence density, the isosurface is 0.0012 e/ ?3 .3 結(jié)論Zhang Q, Chen X D, Zhang H 2012 ACS

35、 Nano 6 74 8 Wu W Z, Wang L, Li Y L, Zhang F, Lin L, Niu S M, Chenet D, Zhang X, Hao Y F, Heinz T F, Hone J, Wang Z L 2014 Nature 514 470 9 Wang Z Y, Zhou Y L, Wang X Q, Wang F, Sun Q, Guo Z X, Jia Y 2015 Chin. Phys. B 24 026501 10 Wu M S, Xu B, Liu G, Ouyang C Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 227102 (in C

36、hinese) 吳木生, 徐波, 劉剛, 歐陽(yáng)楚 英 2012 物理學(xué)報(bào) 61 227102 11 Yue Q, Kang J, Shao Z Z, Zhang X A, Chang S L, Wang G, Qin S Q, Li J B 2012 Phys. Lett. A 376 1166 12 Cao J, Cui L, Pan J 2013 Acta Phys. Sin. 62 187102 (in Chinese) 曹娟, 崔磊, 潘靖 2013 物理學(xué)報(bào) 62 187102 13 Radisavljevic B, Whitwick M B, Kis A 2011 ACS Nano

37、 5 9934 14 Wang H, Yu L L, Lee Y H, Shi Y M, Hsu A, Chin M L, Li L J, Dubey M, Kong J, Palacios T 2012 Nano Lett. 12 4674 15 Late D J, Liu B, Matte H H S S R, Dravid V P, Rao C N R 2012 ACS Nano 66 5635 16 Kiriya D, Tosun M, Zhao P D, Kang J S, Javey A 2014 J. Am. Chem. Soc. 136 7853本文采用基于密度泛函理論的第一性

38、原理平 面波贗勢(shì)的方法研究了金襯底吸附對(duì)單層二硫化 鉬電子性質(zhì)的影響. 從結(jié)合能、 能帶結(jié)構(gòu)、 電子態(tài)密 度和差分電荷密度四個(gè)方面進(jìn)行了深入研究. 結(jié)合 能計(jì)算表明, 金襯底吸附單層二硫化鉬時(shí), 界面硫 原子層的最佳排布方式就是與界面金原子層相同 的排布方式; 但是金襯底吸附單層二硫化鉬并不穩(wěn) 定, 這也解釋了為什么制備硫化鉬晶體管時(shí)要采用 鈦?zhàn)鳛轲じ綄? 能帶結(jié)構(gòu)分析表明, 金襯底與單層 二硫化鉬形成肖特基接觸, 并出現(xiàn)釘扎效應(yīng). 態(tài)密 度分析表明, 金襯底并沒(méi)有影響硫原子和鉬原子之 間的共價(jià)鍵, 金襯底的作用表現(xiàn)在將單層二硫化鉬 的態(tài)密度分布整體向橫軸右方平移 1 eV, 從而增加 單層二

39、硫化鉬的導(dǎo)電率. 差分電荷密度分析不僅進(jìn) 一步證實(shí)了前文的結(jié)論, 而且表明單層二硫化鉬的187101-5物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin.17 Bao W Z, Cai X H, Kim D, Sridhara K, Fuhrer M S 2013 Appl. Phys. Lett. 102 042104 18 Das S, Chen H Y, Penumatcha A V, Appenzeller J 2012 Nano Lett. 13 100 19 Li Y F, Zhou Z, Zhang S B, Chen Z F 2008 J. Am. Chem. Soc. 130 1

40、6739 20 Cai Y Q, Zhang G, Zhang Y W 2014 J. Am. Chem. Soc. 136 6269 21 Li X M, Long M Q, Cui L L, Xiao J, Xu H 2014 Chin. Phys. B 23 047307 22 Li W F, Guo M, Zhang G, Zhang Y W 2014 Chem. Mater. 26 5625 23 Kresse G, Furthmuller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169Vol. 64, No. 18 (2015) 18710124 Kresse G, Jo

41、ubert J 1999 Phys. Rev. B 59 1758 25 Monkhorst H J, Pack J F 1979 Phys. Rev. B 13 5188 26 Liu J, Liang P, Shu H B, Shen T, Xing S, Wu Q 2014 Acta Phys. Sin. 63 117101 (in Chinese) 劉俊, 梁培, 舒 海波, 沈濤, 邢凇, 吳瓊 2014 物理學(xué)報(bào) 63 117101 27 Mak K F, Lee C G, Hone J, Shan J, Heinz T F 2010 Phys. Rev. Lett. 105 13

42、6805 28 Chen W, Santos E J G, Zhu W G, Kaxiras E, Zhang Z Y 2013 Nano Lett. 13 509 29 Igor P, Gotthard S, David T 2012 Phys. Rev. Lett. 108 156802 30 Momma K, Izumi F 2011 J. Appl. Crystallogr. 44 1272187101-6物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin.Vol. 64, No. 18 (2015) 187101Tuning the electronic property of monol

43、ayer MoS2 adsorbed on metal Au substrate: a ?rst-principles study?Zhang Li-Yong1)2) Fang Liang1)2)? Peng Xiang-Yang3)1) (State Key Laboratory of High Performance Computing, National University of Defense Technology, Changsha 410072, China) 2) (School of Computer, National University of Defense Techn

44、ology, Changsha 410072, China) 3) (School of Physics and Optoelectronics Xiangtan University, Xiangtan 411005, China) ( Received 24 March 2015; revised manuscript received 16 May 2015 )Abstract Using ?rst principles calculations within density functional theory, we investigate the electronic propert

45、y of a singlelayer MoS2 adsorbed on Au. All the quantities are calculated using the Vienna ab initio simulation package. Calculations are performed using the projector augmented wave method with the Perdew-Burke-Ernzerhof functional and a kinetic energy cuto? of 400 eV. The atomic plane and its neig

46、hboring image are separated by a 15 ? vacuum layer. The k-meshes for the structure relaxation and post analysis are 9 9 1 and 19 19 1, respectively. The spin-orbit coupling is considered in the calculation. The research includes the binding energy, the band structure, density of states (DOS) and ele

47、ctric charge di?erence density. Three contact modes between MoS2 (0001) and Au (111) are considered. When the atom S layer and the atom Au layer on the contacting interface have the same structure, the minimum binding energy and distance between MoS2 (0001) and Au(111) are 2.2 eV and 2.5 ? respectively. The minimum binding energy con?rms that the absorption is unstable. The band structure demonstrates that the MoS2 -Au contact nature is of the Schottkybarrier type, and the barrier height is 0.6 eV which is bigger than MoS2 -Sc contact. By comparison w