外电场调控V2NO2/MoGe2N4异质结界面性质的第一性原理

王泽，白丽娜，牛丽

外电场调控V2NO2/MoGe2N4异质结界面性质的第一性原理

王泽，白丽娜，牛丽

（哈尔滨师范大学 物理与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

MA2Z4；异质结；肖特基势垒；第一性原理

2020年，HONG[1]670等用化学气相沉积（CVD）方法成功制造了MoSi2N4（MSN）单层，它是由上下两个Si-N原子层中间夹着MoN2单层构成的．这种独特的结构具有比其他二维材料更优异的性能，如室温下的良好稳定性、显著的载流子迁移率[1]670、突出的压电性[2]和高晶格热导率[3]等．MSN单层优良的物理化学性质，让研究人员开始了有关MA2Z4家族（M代表过渡金属元素，A代表Si或Ge元素，Z代表N，P或As元素）的研究，例如：采用第一性原理计算预测了72种可在动力学上稳定的，类似于MoSi2N4的二维结构[1]671．MA2Z4家族中M，A，Z 三种组成元素的多样性，使它们的电子结构、物理和化学性质具有广泛的可调性，使其在电子、光电和自旋电子器件中展现出巨大应用潜力．

基于MA2Z4和MXenes二者多样可调谐的本征性质，将MXenes集成在MA2Z4单层上，对于实现可调谐的金属-半导体接触（M-S结）有着很好的前景．本文通过第一性原理计算研究了V2NO2/ MoGe2N4异质结在不同堆叠下的结构，以及最稳定构型下的能带结构、电子结构，并且通过计算发现V2NO2/ MoGe2N4异质结可以在外部电场作用下调节肖特基势垒高度和接触类型．研究结果揭示了V2NO2/ MoGe2N4异质结构是一种新型可调的金属/半导体接触，具有应用于肖特基电子器件的良好潜力，并丰富了MXenes/MA2Z4界面接触的研究，为实验和理论工作提供了参考．

1 计算方法

2 结果与讨论

2.1 结构与稳定性

图1 MoGe2N4结构、能带结构及状态密度和声子谱

图2 V2N 的结构图和能带结构及状态密度

图3 V2NO2/ MoGe2N4异质结的六种堆叠方式（分别称为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ）

2.2 能带结构和电子性质

图4 V2NO2/ MoGe2N4异质结的结构、投影能带结构和状态密度

计算结果表明，界面区电荷存在明显的分布调整，电荷积累主要集中在V2NO2单层周围，而电荷耗尽主要集中在MoGe2N4单层周围，表明单层之间存在电荷转移．由于电荷重新的分布，形成一个由单层MoGe2N4指向单层V2NO2的微弱内建电场．V2NO2/ MoGe2N4肖特基结的有效静电势见图5c（绿色和黄色分别为电荷耗尽和电荷积累）．可以观察到功能化的MXene材料V2NO2和二维半导体材料MoGe2N4之间存在着电势差，这也印证了由于电荷转移在MoGe2N4与V2NO2层之间存在着内建电场．

图5 V2NO2/MoGe2N4异质结电子性质

2.3 电场对肖特基势垒的调控

图6 异质结在外电场作用下的肖特基势垒和能带结构的变化

3 结论

本文采用第一性原理计算对金属V2NO2和半导体MoGe2N4的本征性质及界面特性进行了研究．V2NO2具有类金属特性，MoGe2N4为间接带隙半导体特性．金属V2NO2和半导体MoGe2N4为型肖特基接触，在外部电场调制下，金属V2NO2和半导体MoGe2N4的界面接触类型由型肖特基接触变成了欧姆接触．说明电场可以有效地调节肖特基势垒的接触类型，V2NO2/ MoGe2N4是一种很有前途的高性能肖特基纳米器件．

[1] HONG Y L，LIU Z，WANG L，et al．Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4materials[J]．Science，2020，369（6504）：670-674．

[2] Mortazavi B，Javvaji B，Shojaei F，et al．Exceptional piezoelectricity，high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4family confirmed by first-principles[J]．Nano Energy，2021，82：105716．

[3] YU J，ZHOU J，WAN X，et al．High intrinsic lattice thermal conductivity in monolayer MoSi2N4[J]．New Journal of Physics，2021，23（3）：033005．

[4] Naguib M，Kurtoglu M，Presser V，et al．Two‐dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2[J]．Advanced Materials, 2011，23（37）：4248-4253．

[5] Anasori B，Xie Y，Beidaghi M，et al．Two-dimensional，ordered，double transition metals carbides（MXenes）[J]．ACS nano， 2015，9（10）：9507-9516．

[6] Ng V M H，HUANG H，ZHOU K，et al．Recent progress in layered transition metal carbides and/or nitrides（MXenes）and their composites：synthesis and applications[J]．Journal of Materials Chemistry A，2017，5（7）：3039-3068．

[7] Blöchl P E．Projector augmented-wave method[J]．Physical Review B，1994，50（24）：17953．

[8] Alfe D，Gillan M J，Price G D．The melting curve of iron at the pressures of the Earth′s core from ab initio calculations[J]．Nature， 1999，401（6752）：462-464．

[9] LIU Y，STRADINS P，WEI S H．Van der Waals metal-semiconductor junction：Weak Fermi level pinning enables effective tuning of Schottky barrier[J]．Science Advances，2016，2（4）：e1600069．

[10] Mortazavi B，Javvaji B，Shojaei F，et al．Exceptional piezoelectricity，high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4family confirmed by first-principles[J]．Nano Energy，2021，82：105716．

[11] SI C，LIU J，XU Y，et al．Functionalized germanene as a prototype of large-gap two-dimensional topological insulators[J]．Physical Review B，2014，89（11）：115429．

[12] Bardeen J．Surface states and rectification at a metal semi-conductor contact[J]．Physical Review，1947，71（10）：717．

[13] LIU Y，ZHANG Q，ZHANG W，et al．Tuning Schottky barrier and contact type of metal semiconductor in Ti3C2T2/MoS2（T= F，O，OH）by strain：a first-principles study[J]．The Journal of Physical Chemistry C，2021，125（29）：16200-16210．

First-principles of external electric field regulates the interface properties of V2NO2/ MoGe2N4heterojunction

WANG Ze，BAI Lina，NIU Li

（School of Physics and Electronic Engineering，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

The fundamental properties of V2NO2and MoGe2N4and the electric field response of their heterostructured interfaces are systematically investigated using first principles calculations．V2NO2exhibits metallic like properties, while MoGe2N4exhibits indirect bandgap semiconductor properties. Heterojunctions constructed with two different structures have six different stacking methods, and all configurations have been optimized. The lowest energy configuration has been selected for electric field response characteristics analysis．The electric field response of the V2NO2/ MoGe2N4heterostructure is characterised by a van der Waals interaction，and the two structures maintain their intrinsic properties well in the heterostructure．The V2NO2/ MoGe2N4heterojunction can switch between-type Schottky contacts and Ohmic contacts under the modulation of an external electric field．The results show that V2NO2/ MoGe2N4is a tunable metal/semiconductor contact．

MA2Z4；heterojunction；Schottky barrier；first nature principle

O469

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.009

1007-9831（2024）02-0048-05

2023-06-27

王泽（1998-），女，黑龙江伊春人，在读硕士研究生，从事凝聚态物理研究．E-mail：1217190773@qq.com

白丽娜（1981-），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事凝聚态物理研究．E-mail：shidabailina@163.com