[論文レビュー] Interfacial Properties of Monolayer and Bilayer MoS2 Contacts with Metals: Beyond the Energy Band Calculations

Hongxia Zhong, Zeyuan Ni+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、モノレイヤーおよびバイレイヤーMoS2-金属接触のab initio的考察を提示し、電荷移動による多電子効果の抑制が、従来のエネルギー準位バンド計算がシュットキー準位障壁高さを正確に予測できない理由を示している。量子輸送シミュレーションの結果、層間結合のおかげでバイレイヤーMoS2はモノレイヤーに比べて低いシュットキー準位障壁と高い電子注入効率を示すことが判明し、標準的なバンド構造的手法を超えた高度な理論的手法の必要性が強調された。

ABSTRACT

Although many prototype devices based on two-dimensional (2D) MoS2 have been fabricated and wafer scale growth of 2D MoS2 has been realized, the fundamental nature of 2D MoS2-metal contacts has not been well understood yet. We provide a comprehensive ab initio study of the interfacial properties of a series of monolayer (ML) and bilayer (BL) MoS2-metal contacts (metal = Sc, Ti, Ag, Pt, Ni, and Au). A comparison between the calculated and observed Schottky barrier heights (SBHs) suggests that many-electron effects are strongly suppressed in channel 2D MoS2 due to a charge transfer. The extensively adopted energy band calculation scheme fails to reproduce the observed SBHs in 2D MoS2-Sc interface. By contrast, an ab initio quantum transport device simulation better reproduces the observed SBH in the two types of contacts and highlights the importance of a higher level theoretical approach beyond the energy band calculation in the interface study. BL MoS2-metal contacts have a reduced SBH than ML MoS2-metal contacts due to the interlayer coupling and thus have a higher electron injection efficiency.

研究の動機と目的

• 2次元MoS2-金属接触の基本的界面特性を理解すること。これは、デバイスのプロセス技術の進展にもかかわらず、依然として十分に解明されていない。
• 従来のエネルギー準位バンド計算がMoS2-金属系におけるシュットキー準位障壁高さ（SBH）を予測する際の限界を特定すること。
• 多電子効果および電荷移動が界面電子的性質に与える影響を評価すること。
• Sc、Ti、Ag、Pt、Ni、Auの複数の金属に対して、モノレイヤーおよびバイレイヤーMoS2接触を体系的に比較すること。
• 標準的なエネルギー準位バンドモデルに比べ、ab initio量子輸送シミュレーションがSBH予測において優れていることを確立すること。

提案手法

• モノレイヤーおよびバイレイヤーMoS2と複数の金属の電子構造をモデル化するために、ab initio密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 予測値と観測値の乖離を説明するため、電荷移動および多電子効果が分析された。
• 実際の電流-電圧特性を計算するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式が量子輸送シミュレーションに適用された。
• シミュレートされた輸送曲線からシュットキー準位障壁高さが抽出され、実験的観察と比較された。
• 層間結合効果は、電子バンド分散および層間相互作用強度の分析を通じて定量的に評価された。
• 6種類の金属を対象に体系的な比較が行われ、SBHおよび注入効率の傾向が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的なエネルギー準位バンド計算は、MoS2-金属接触における実験的に観測されたシュットキー準位障壁高さを再現できないのか？
• RQ2 2次元MoS2における電荷移動が多電子効果をどのように抑制し、界面電子的性質を変化させるのか？
• RQ3 バイレイヤーMoS2における層間結合は、モノレイヤーに比べてどの程度シュットキー準位障壁高さを低減するのか？
• RQ4 従来の手法が失敗する状況において、ab initio量子輸送シミュレーションはシュットキー準位障壁高さを正確に予測できるのか？
• RQ5 異なる金属接触において、バイレイヤーとモノレイヤーMoS2の相対的な電子注入効率はどの程度か？

主な発見

• 電荷移動による多電子効果の抑制が原因で、従来のエネルギー準位バンド計算はMoS2-Sc界面における観測されたシュットキー準位障壁高さを再現できない。
• ab initio量子輸送シミュレーションは、標準的なエネルギー準位バンドモデルに比べて、実験的シュットキー準位障壁高さをよりよく再現する。
• 層間結合の強化と有効質量の低減のおかげで、バイレイヤーMoS2はモノレイヤーに比べて低いシュットキー準位障壁高さを示す。
• 特にScやTiなどの遷移金属では、バイレイヤーMoS2-金属接触における電子注入効率がモノレイヤーに比べて顕著に向上する。
• 界面での電荷移動は多電子効果を強く抑制し、標準的なバンド整列モデルの仮定を無効にしている。
• 本研究は、2次元半導体デバイスにおける界面モデリングにおいて、高階層の理論的手法が不可欠であることを示している。