Op weg naar het beheersen van contactpolariteit en contactweerstand in 2D-materiaalapparaten

Natuurkundigen van de National University of Singapore (NUS) ontdekten dat contacten gemaakt van molybdeendisulfide (MoS₂) en wolfraamdiselenide (WSe₂) op goudmetaal zijn beide p-type, terwijl dezelfde contacten met chalcogeen leegstandsdefecten n-type worden. Niet-lokale uitwisselings- en correlatie-effecten zijn van cruciaal belang bij het bepalen van de uitlijning van het energieniveau en de contactpolariteit. De resultaten van het onderzoek, gepubliceerd in npj 2D-materialen en toepassingenlaten zien dat de verschillende contactpolariteiten die experimenteel zijn waargenomen voor MoS₂/goud en WSe₂/gold-interfaces komen voort uit de verschillende aard van de defecten in deze twee materialen.

Nobelprijswinnaar Herbert Kroemer had de beroemde opmerking gemaakt dat ‘de interface het apparaat is’. Wanneer tweedimensionale (2D) halfgeleidermaterialen in contact worden gebracht met metalen, vormen ze metaal-halfgeleider-interfaces. Deze interfaces beïnvloeden parameters zoals contactweerstand en spelen een cruciale rol in de prestaties van het apparaat. Zelfs de aard van de ladingsdragers wordt grotendeels bepaald door deze interfaces. Als elektronen een lagere energie nodig hebben om de energiebarrière bij de interface te passeren, is de polariteit “n-type”; als gaten een lagere energie nodig hebben om de energiebarrière bij de interface te passeren, wordt de polariteit “p-type”. Contactpolariteit is belangrijk voor het ontwerp van apparaatfunctionaliteiten, zoals pn-overgangen.

Een team van onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Quek Su Ying van het Department of Physics, NUS, gebruikte geavanceerde berekeningen om twee veelvoorkomende 2D-halfgeleidermaterialen te bestuderen, bekend als het overgangsmetaal dichalcogenides, MoS.₂ en WSe₂in contact met goud metaal.

Prof. Quek zei: “Onze berekeningen toonden aan dat zowel MoS₂/goud en WSe₂/gouden contacten zijn van het p-type als er geen defecten zijn. Deze resultaten waren anders dan eerdere theoretische voorspellingen. Het cruciale verschil is dat veel-lichaamsuitwisseling en correlatie-effecten die verder gaan dan een beschrijving van het gemiddelde veld belangrijk zijn om de niveau-uitlijning nauwkeurig te voorspellen. Wanneer er een chalcogeen leegstandsdefect is, worden de contacten in beide gevallen n-type. Dit komt door de extra energieniveaus in de bandafstand, waardoor de energieniveaus van het metaal worden ‘vastgezet’.'”

Dr. Keian Noori, de hoofdauteur van dit werk, zei: “In tegenstelling tot MoS₂de chalcogeen vacaturedefecten in WSe₂ zijn reactiever. Onder omgevingsomstandigheden kan in de omgeving beschikbare zuurstof reageren met deze vacatures en de toestanden in de bandafstand verwijderen, zodat de WSe₂ materiaal gedraagt ​​zich als een ongerept materiaal zonder defecten, wat p-type is, voor zover het contactpolariteit betreft.”

Prof. Quek voegde eraan toe: “Hoewel de chalcogeen-vacaturedefecten in MoS₂ minder reactief zijn, is het denkbaar dat experimentele omstandigheden kunnen worden geregeld om de defecten op dezelfde manier te ‘passiveren’ door zuurstof of andere soorten. Dit zal dan een route bieden om meer afstembare controle van de energie-offset bij de MoS mogelijk te maken₂/metalen contacten. Omdat defecten vaak onvermijdelijk zijn, zal het helpen om de prestaties van het apparaat te optimaliseren als je weet hoe je de impact ervan op belangrijke apparaateigenschappen kunt beheersen.”