4H-SiC的表面形态对2D-MoS2/3D-SiC异质结界面电学性质的影响研究

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3D-SiC和2D-MoS2的组合,结合了 2D-MoS2的高p型电导率、低开启电压以及SiC的宽带隙和高击穿电场,使异质结在光电探测器和光催化领域表现出潜在的优势。2D材料的电子结构直接依赖于衬底材料的表面结构,SiC作为直接生长MoS2的衬底材料,其表面形态对MoS2以及MoS2/SiC异质结界面的电学性质都起着关键的作用,因此理论探索SiC的不同表面如何影响界面及MoS2的电学特性,在3D-SiC/2D-MoS2异质结器件的应用以及在SiC衬底上外延高质量MoS2方面有着实际的意义。本研究工作对不同表面形态的4H-SiC与2D-MoS2异质结界面进行了第一性原理密度泛函理论(DFT)的计算,分别研究了2D-MoS2与4H-SiC的理想表面,(?)重构表面,H钝化表面以及存在空位缺陷和杂质原子的表面形成的异质结构的界面电学性质。主要结论如下:1.理想SiC表面的Si原子悬挂键与MoS2的S原子在界面处形成稳定的σ共价键,使MoS2能带结构发生变形,电子有效质量增加。2.在三种不同堆叠构型的SiC(?)重构表面与MoS2形成的异质结界面中,能带计算表明其中两种界面构型,在MoS2的禁带中引入了中间态,且SiC重构表面的表面态能级向导带处展宽,而另一种界面构型,表面重构Si原子与S原子形成共价键,MoS2的导带与SiC表面态能级发生简并。3.H钝化后的SiC与MoS2成理想的范德瓦尔斯异质结,且异质结形成了type-Ⅱ能带结构,且该异质结构在垂直电场的调控下,导带阶和价带阶随正电场的增大而增大。4.通过对界面结合能的量化分析,发现存在N杂质原子的界面结合能最高,而存在P杂质原子的界面最不稳定,同时能带计算表明P杂质原子在界面禁带中引入了高度局域的电子态,而表面Al杂质原子在禁带中没有引入任何中间态能级。5.SiC表面C空位缺陷的存在导致表面Si原子发生重排,在界面禁带靠近导带的位置引入缺陷态,同时也使MoS2在禁带中产生了新的中间态能级,而SiC表面Si空位缺陷在界面禁带中靠近价带的位置引入了相应的缺陷能级。
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