金属与层状过渡金属二硫化物相互作用的研究

Metal-semiconductor junctions play an important role in modern electronic devices. Recently, two-dimensional semiconductors (e.g., transition metal dichalcogenides ) have been expected to be promising candidates of traditional silicon-based semiconductors because of the suitable energy gap and smooth surface. Experimentally, many kinds of metal-semiconductor junctions have been investigated and realized the transistor effect. However, due to the lack of theoretical insights, high contact resistance of exiting metal-semiconductor junctions severely limiting their carrier mobility. In this proposal, we will study the interactions between various metals and two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) in terms of density functional theory calculations. By investigating the structures, work function, and the orbital symmetry of metal electrodes and TMDs, and external factors such as gate voltage, we will explore the mechanics response for the interaction between the metal electrodes and TMDs, and predict the possible ways to improve the carrier mobility and reduce the contact resistance. By addressing the aforementioned issues, we can conclude the intrinsic mechanism and the general physical pictures, and predict the possible ways for experimental studies.

金属半导体结是现代电子器件中不可或缺的重要组成部分。近年来出现的二维半导体 (例如过渡金属二硫化合物)，由于其合适的能隙，光滑的表面结构，有望突破传统硅基半导体的限制，实现纳米尺度上的新型电子器件。目前实验上已经开始研究多种金属和二维半导体材料的复合结构，成功实现了原子尺度上的晶体管效应。但是由于缺乏对金属电极和二维半导体材料相互作用的理论认识，导致实验研究中载流子注入效率和载流子迁移率都较低，阻碍了这个领域的发展。本项目拟采用密度泛函理论的方法，以金属与过渡金属二硫属化物复合结构为对象，研究二硫化物相结构、金属电极的功函数、复合结构轨道的匹配性、以及门压等外界因素对金属半导体结接触能垒和电阻的影响，揭示它们相互作用的机制，总结一般规律，力求得到一个较清晰的物理图像。在此基础上，分析降低接触势垒，提高载流子注入效率和迁移率的可靠途径，为进一步的实验研究提供理论依据。

金属半导体结是未来信息器件的重要组成部分，研究不同金属半导体结的成分、构效关系对于其性能至关重要。在项目的资助下，基于第一性原理的密度泛函理论计算和模型哈密顿量研究，开展了下面几个方面的研究：(1) 金属半导体结的结构及性能关系，揭示了表面缺陷结构对其接触电阻有着重要的决定关系；(2) 不同性质半导体材料的研究，设计了一些信息器件中必须的半导体材料；(3) 信息磁性金属衬底的研究。通过相关研究，为多功能的信息器件构筑提供了一些有用的理论认识和依据，厘清了部分金属半导体结中的物理机制。相关研究成果已经在Phys. Rev. Lett, J. Am. Chem. Soc，Phys. Rev. B等国外权威SCI期刊发表论文17篇，1篇发表在新学术期刊Advanced Theory and Simulations，目前还有5篇受资助学术论文在国外SCI期刊审稿。此外，在项目资助下，培养了一名江苏省优秀博士学位论文。