电极金属-单层MoS2界面的结构与电学性质研究

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1、学校代码10699分类号TB34密级学号2014100320题目电极金属-单层MoS2界面的结构与电学性质研究作者苏杰学科、专业材料学指导教师刘正堂教授申请学位日期2017年11月国内图书分类号：TB34西北工业大学工学博士学位论文电极金属-单层MoS2界面的结构与电学性质研究博士研究生：苏杰导师：刘正堂教授冯丽萍教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TB34Dissertationsubmittedinpartialfulfillment

2、oftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyStudyonthestructuralandelectronicpropertiesofmetal-MoS2interfacePh.DCandidate：SUJieAdvisor：ProfessorLIUZhengtangProfessorFENGLipingDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：MaterialsScienceandEng

3、ineeringDateofOralDefence：2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要近年来，单层MoS2因其独特的电学、光学、力学和热学性质，受到了广泛地关注。其适中的直接带隙（~1.80eV）和高的迁移率使得单层MoS2在场效应晶体管方面有着巨大的应用前景。而且其超薄的厚度、光滑的表面还能够有效地减小场效应晶体管短沟道效应。因此，单层MoS2被视为一种很有潜力的沟道材料。但2-1-1目前单层MoS2场效应晶体管的室温载流子迁移

4、率最大约为200cm∙V∙s，远低2-1-1于理论预测值（约为410cm∙V∙s）。这是因为单层MoS2场效应晶体管中电极金属-MoS2界面处存在大的肖特基势垒高度，严重阻碍了电荷从电极注入到单层MoS2沟道材料的效率。虽然人们对金属-MoS2界面处肖特基势垒进行了一些研究，但是并没有明确金属-MoS2界面处肖特基势垒的形成机理，也没有有效地降低金属-MoS2界面肖特基势垒高度的方法。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统研究了不同金属-MoS2界面的结构和电学性质，分析了金属-MoS2界面处肖特基势垒的形成机理，并对比研究了

5、单层MoS2中掺杂原子和空位缺陷、二维插层材料对金属-MoS2界面肖特基势垒和电荷输运性能的影响，为有效降低金属-MoS2界面处肖特基势垒高度提供理论依据。本文的主要研究内容和结果如下：采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Sc-MoS2、Ti-MoS2、Mo-MoS2、Ag-MoS2、Au-MoS2和Pt-MoS2界面的结构和电学性质进行了研究，并着重分析了金属-MoS2界面处肖特基势垒的形成机理。计算得到的金属-MoS2界面的肖特基势垒高度与其他理论值一致。金属-MoS2界面处肖特基势垒形成的主要原因是金属-MoS2界面处的电荷转

6、移在MoS2层中引入了界面态，导致金属-MoS2界面处出现了部分费米钉扎效应。这种部分费米钉扎效应明显不同于传统金属-半导体界面处强的费米钉扎效应。金属-MoS2界面的界面间距越大、界面间相互作用越弱，金属-MoS2界面的界面态越弱、费米钉扎效应越弱。系统研究了Nb和Cl掺杂金属-MoS2界面和单层MoS2电学性质，获得了Nb和Cl掺杂对金属-MoS2界面肖特基势垒高度和单层MoS2导电输运能力的影响。含有Nb和Cl掺杂原子的金属-MoS2界面分别为p型和n型界面，其p型和n型肖特基势垒高度随着掺杂浓度增大均减小。另外，单层MoS2的

7、空穴输运能力随着Nb掺杂浓度增大先增强后下降，而单层MoS2的电子输运能力随着Cl掺杂浓度增大逐渐降低。揭示了S和Mo空位缺陷对金属-MoS2界面肖特基势垒高度和单层MoS2导电输运能力的影响。S和Mo空位缺陷引起的占满和未占满的缺陷态都可以增强金属-MoS2界面处的界面态和费米钉扎强度。占满和未占满的缺陷态越靠近单层MoS2的价带，金属-MoS2界面的n型和p型肖特基势垒高度都越小。另外，单层MoS2I西北工业大学工学博士学位论文中S和Mo空位缺陷都会降低单层MoS2的带隙和导电性能。对比研究了不同二维材料插层金属-MoS2界面的电

8、学性质，着重分析了二维插层材料的性质对金属-MoS2界面肖特基势垒的影响。具有超薄的厚度、大的离子势和低的电子亲和势的单层BN作为插层材料时，所有金属-MoS2界面的肖特基势垒高度都明显降低甚至消失。另外，单层BN插层还