通过在单层ZrSi2N4上使用金属2H-VS2和Janus 2H-VSTe材料，实现了n型和p型的欧姆接触

《Computational Condensed Matter》：Achieving n- and p-type Ohmic contacts for monolayer ZrSi2N4 with metallic 2H-VS2 and Janus 2H-VSTe

　　

张小哲|魏俊杰|赵梦颖|李红|司琳娜|刘丰斌

华北理工大学机械与材料工程学院，北京，100144，中国

摘要

在二维金属-半导体异质结构中，肖特基势垒高度（SBH）的界面接触特性和精确调控对于提升纳米电子器件性能至关重要。我们构建了由半导体ZrSi₂N₄和金属2H-VS₂或Janus 2H-VSTe组成的垂直异质结构，并利用第一性原理计算系统研究了它们的界面电子特性。研究结果表明，2H-VS₂/ZrSi₂N₄异质结构形成了n型肖特基接触，而2H-VTeS/ZrSi₂N₄和2H-VSTe/ZrSi₂N₄则表现出n型准欧姆行为。2H-VS₂/ZrSi₂N₄的SBH可以通过电场和界面应变进行高度调节。具体来说，在?0.6?V/?和+1.0?V/?的垂直电场下，分别实现了n型和p型准欧姆行为。我们的发现为优化基于二维异质结构的纳米电子器件的接触性能提供了机制理解和可行策略。

引言

二维（2D）材料的出现标志着半导体技术的重大进步，这一进步是由器件小型化和性能提升的双重需求驱动的[1,2]。与早期主要关注单个2D材料的研究不同，最近的研究越来越多地转向由多层2D材料组成的范德瓦尔斯（vdW）异质结构，这些结构可以克服孤立材料的基本限制，同时保持其优异的性能[[[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。关键在于，这种模块化的逐层堆叠几何结构能够对界面电子结构和能带对齐进行前所未有的控制，从而实现对电子和光电特性的精确工程[[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。特别是，2D金属/2D半导体vdW异质结构为实现理想的欧姆接触提供了有希望的途径[[[17], [18], [19]]，从而显著降低了接触电阻，并促进了高性能纳米电子器件中的高效、无障碍电荷注入。

单层（ML）ZrSi₂N₄由于其较高的机械强度、优异的热稳定性和适中的带隙，已成为一种有潜力的2D半导体，适用于光催化、光电检测和纳米电子学领域[[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。鉴于电极接触特性直接影响载流子传输效率和整体器件性能[1,[28], [29], [30], [31], [32], [33]]，全面了解基于ML ZrSi₂N₄的垂直异质结构中的界面特性并实现欧姆接触具有至关重要的意义。金属2D材料ML 2H-VS₂的晶格常数与ML ZrSi₂N₄非常接近，因此界面应变小且结构兼容性强，是形成高性能垂直接触的理想候选材料。此外，Janus 2H-VSTe由于其内在的垂直偶极子和不对称的S/Te界面终止方式，提供了调节界面能带对齐和接触极性的特殊策略，从而扩展了在ZrSi₂N₄基异质结构中实现定制欧姆或可调肖特基行为的设计空间。

段落摘录

计算参数

本研究中的所有第一性原理计算均使用QuantumATK软件平台[34,35]完成。该平台采用的密度泛函理论（DFT）基于原子轨道线性组合（LCAO）方法，因其准确性和计算效率得到了广泛的认可。几何优化采用了广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换相关泛函[36]。

结果与讨论

图1展示了ML ZrSi₂N_{42和Janus 2H-VSTe的晶体结构及相应的能带结构。ML ZrSi2N4是一种具有七层堆叠结构的半导体，六角晶格常数为3.05??，间接带隙为2.61?eV。相比之下，金属ML 2H-VS2和Janus 2H-VSTe采用夹心结构，六角晶格常数分别为3.16??和3.41??。}

结论

总之，我们对半导体ZrSi₂N₄与金属2H-VS₂或2H-VSTe之间的界面接触特性进行了全面的第一性原理研究。界面主要通过范德瓦尔斯相互作用得以稳定。计算结果显示，2H-VS₂/ZrSi₂N₂异质结构形成了n型肖特基接触，而2H-VTeS/ZrSi₂N₂和2H-VSTe/ZrSi₂N₂形成了n型准欧姆接触。在2H-VS₂/ZrSi₂N₄中，SBH高度可以通过电场进行高度调节。

作者贡献声明

张小哲：数据整理、形式分析、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。魏俊杰：数据整理、形式分析、可视化、撰写、审稿与编辑。赵梦颖：数据整理、撰写、审稿与编辑。李红：概念构思、研究方法设计、撰写、审稿与编辑。司琳娜：监督工作、撰写、审稿与编辑。刘丰斌：监督工作、撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52575193）、国家自然科学基金联合基金（项目编号：U23A2025）、北京市自然科学基金（项目编号：4212046）以及大学生创新与创业培训计划的支持。