Small:理论设计CNSi/MXene/CNSi纳米器件

作为下一代集成电路的候选材料,如TMD、石墨烯、MXene等具有优良导电性、机械性能、稳定的二维材料备受瞩目。近年来,很多研究人员基于这些材料,对其进行掺杂、功能化等处理,实验上制备出很多二维器件,也有大量工作报道DFT计算预测的可能的二维器件材料。但当前的二维器件面临着许多问题:一般来说,这些二维材料中的异质结仅由较弱的范德华力相互连接,这导致了器件的不稳定;在应用方面,必须有额外的电极与器件相连,这也造成了额外的花费;更重要的是,大多数当前的器件并不适合大规模制备,这就限制了它们的大规模应用。

澳门大学潘晖教授课题组设计了一种独特的异质结构:CNSi/MXene/CNSi。基于MXene的表面活性,在MXene两侧分别加上CNSi绝缘层,可以使得整体结构稳定,并限制电子只在结构的中间部分流动。CNSi和MXene之间形成了欧姆接触,这一特性对设计器件非常重要。同时利用氧原子功能化形成的O/M2C/SiN2和N/M2C/OSiN也表现出半导体特性。该研究对于二维器件的大规模制备具有重要意义。

基于MXene表面的活性,利用N原子可以功能化MXene的特征,作者利用SiN2作为绝缘层,并将其置于MXene的上下两侧而形成SiN2/MXene/SiN2的异质结。异质结中N原子与MXene、与Si原子均可形成较强的共价键,从而保证了结构的稳定性。通过DFT计算发现了8种稳定结构。进一步的研究发现,这些结构整体表现出金属性,但导电性仅仅由中心的MXene和距离MXene较近的N1形成的二维电子气提供,Si原子和两端的N2原子几乎不提供导电性。

图1. SiN2/Ta2C/SiN2形成过程的示意图。中心的Ta2C的(a) 倾斜, (b) 侧和(c) 顶视图。(d)在 Ta2C 的顶部和底部覆盖 SiN2。(e)SiN2/Ta2C/SiN2。SiN2/Ta2C/SiN2的(f)侧视图和(g)顶视图。(b), (c), (f)和(g)图中标出了晶格常数和键长、键角。

考虑到实际应用中仅仅两个原子层的绝缘层厚度可能不够,以及应用中更需要可调的绝缘层厚度,作者又进一步加厚了绝缘层,构成了CNSi/MXene/CNSi的异质结。这些绝缘层更厚的结构也都被验证是稳定的,且拥有和SiN2/MXene/SiN2非常相似的电子结构。二维电子气依然被限制在MXene和N1部分,而结构的绝缘性进一步提升。通过计算金属层和绝缘层的功函数和能带结构,作者发现它们形成了欧姆接触,并设计了基于此异质结的二维器件。进一步的研究还发现了SiN2/M2C/SiN2和N/M2C/SiN2两类各向异性半导体,进一步拓宽了基于MXene的材料家族。

图2. SiN2/M2N/2中部分电荷密度分布的整体视图(左侧) 沿着110方向的2D切面(右侧)。M =: (a) V, (b) Ti, (c) Nb以及(d) Ta。
图3. S-M-S 接触的示意图。(a) 将CNSi进行p掺杂后,CNSi和金属部分形成的能级示意图。在金属部分和CNSi上加上不同的电压(c, e),相对能级将改变(b, d),从而电流流动也不同(c, e)。

该工作提出的异质结构具有更高的稳定性和独特的电子性质,不仅有希望作为传输线、异质结器件等应用在集成电路甚至3D集成电路中,而且有希望利用CVD进行大规模制备。这项工作对促进MXene和相关结构的实际应用和二维纳米异质结的设计有重要意义。

该工作得到了澳门特别行政区科学技术发展基金(FDCT)和 澳门大学研究及发展事务办公室的多年度研究资助的支持,谨此感谢。

论文信息:

CNSi/MXene/CNSi: Unique Structure with Specific Electronic Properties for Nanodevices

Haoyun Bai, Haoqiang Ai, Bowen Li, Dong Liu, Kin Ho Lob, Kar Wei Nga, Xingqiang Shi, Yoshiyuki Kawazoed, Hui Pan*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101482

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101482