石墨烯/过渡金属硫化物面内异质结接触特性和电子结构的理论研究

Lateral heterojunctions formed by covalent bonds of different two-dimensional (2D) crystals, have appeared as a new type of artificial materials, where the interface between 2D atomic layers results in many interesting physical properties. Recently, the lateral heterojunctions composed of graphene and transitional metal dichalcogenides (TMDs) have attracted much attention for their band offset, Schottky contact barrier, electronic structures and depletion region. In this project, using structure search software and first-principles calculations combined with the appropriate physical model, we plan to investigate the interface properties, magnetism, electronic properties, band offset and Schottky contact barrier of the graphene/TMDs lateral heterojunction. The effects of the interface states and intrinsic doping of the TMDs on the magnetism, electronic properties, depletion region, band offset between graphene and TMDs with Schottky contact will be investigated. We wish to show a deep understanding of the effect of the interface state on the electronic properties. On this base, we propose that dimensionality tunes the interface states, magnetism, electronic properties, band offset, Schottky contact barrier, and depletion region. Using 2D lateral heterojunction, we plan to construct 3D complex van der Waals heterojunction and cut it into 1D nanoribbon, then investigate their unique physical properties.

面内异质结是由不同二维材料通过共价成键形成的一类新型材料，不同材料特性和界面结构赋予了其许多新奇物理特性。最近，由石墨烯（Graphene）和过渡金属二硫族化合物（TMD）组成的面内异质结，因其在纳米电子学中的重要应用前景，吸引了研究人员的广泛关注。利用结构搜索程序和基于量子力学基本原理的第一性原理，结合凝聚态物理模型，本项目拟对石墨烯/过渡金属二硫族化合物面内异质结的界面特性、磁性、电子结构、能带偏移、肖特基势垒和耗尽区特性展开系统研究，力图揭示界面电子态的作用，阐释TMD的本征掺杂对异质结磁性、能带偏移、肖特基接触势垒和耗尽区宽度的影响规律及其微观作用机理，以期深入理解界面对电子结构的调控机制。在此基础上，本项目拟提出维度对界面特性、能带偏移、肖特基势垒、电子结构和耗尽区特性的调控，研究由Graphene/TMD面内异质结和Graphene, TMD构造三维复合异质结与裁剪成的一维纳米

近年来，二维材料的蓬勃发展激发了另外一个研究方向的兴起：面内异质结。它是由不同的二维材料通过面内共价成键形成的新型异质结。不同的二维材料之间存在电荷转移使面内异质结具有丰富的性质，在电子学，电子电路等领域具有广泛的应用前景。认识石墨烯/过渡金属二硫族化合物(TMD)的一个关键问题是是认识和理解界面特性，因为界面特性包括界面形状、界面接触类型、界面电荷转移直接确定了异质结的物性和电子器件性能。本项目研究石墨烯/TMD面内异质结，采用第一性原理结合紧束缚近似方法，系统研究了面内异质结特性、电子结构和接触特性，主要研究成果包括：1）面内异质结界面形状与分布会影响面内异质结的电子结构，界面不同形状导致电荷在界面重新分布，从而影响对应的能带和态密度分布。2）界面存在未饱和键，因此会引入局域在过渡金属原子的磁矩。相应会引入自旋极化，对应的面内异质结为自旋极化的金属。同时，电子自旋极化可以显著影响能带偏移与接触势垒。3）通过结构搜索发现，石墨烯和TMD存在较大的晶格失配，因此构造的模型比较大，原子个数多。搜索出来的结构也多样，结合结合能，筛选出来稳定的模型。4）构建Graphene/p 型半导体（WSe2）面内异质结,表现出不同于Graphene/n 型半导体异质结电子结构特性。该项目已在ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale，Chemistry of Materials，ACS Applied Electronic Materials，The Journal of Physical Chemistry. C，Physical Chemistry Chemical Physics， ACS Omega等期刊上发表论文11篇。