利用内光电发射光谱技术对1T’和2H型MoTe/2SiO2界面的电子能带排列进行了实验研究

《Journal of Electrocardiology》：Experimental Electron Band Alignment of 1 T’and 2H MoTe 2/SiO 2 interface using internal photoemission spectroscopy

MoTe?异质结能带对齐与费米能级钉扎效应研究。通过内部光电发射光谱（IPE）实验，确定1T’/2H MoTe?在SiO?衬底上的能带对齐关系，发现2H相价带顶较1T’相费米能级低约0.4eV，表明费米能级钉扎主导异质结低肖特基势垒行为，与界面缺陷和范德华间隙无关。研究为优化二维材料电子器件提供理论支撑。

　　在当前的半导体技术发展中，二维过渡金属二硫属化合物（2D-TMDs）作为一种新型材料，正逐渐成为替代传统硅基器件的重要候选。其中，钼碲化物（MoTe?）因其独特的物理特性，如可调的带隙、优异的电荷传输能力和多态结构，备受关注。特别是在电子器件和光电子器件领域，MoTe?的潜在应用正不断拓展。然而，要实现其在实际器件中的有效利用，仍需深入研究其与技术相关衬底之间的电子界面特性。

MoTe?具有多种晶体结构，包括六方的2H结构（α相）、单斜的1T’结构（β相）以及低温下的正交Td相。这些不同的相态在特定条件下可以相互转换，从而展现出不同的电学和光学行为。例如，在1T’相中，MoTe?表现出极小的带隙，甚至在少层状态下带隙可以低至60meV，而当其进入体相状态时，这种小带隙则会消失。这使得1T’相MoTe?在作为金属接触材料方面具有优势，因为它能够提供良好的导电性。另一方面，2H相MoTe?在室温下表现出稳定的半导体特性，并且其体相带隙至少为1eV，这使其在设计高性能晶体管时具有重要价值。

本研究的重点在于探索MoTe?在不同相态之间的电子界面特性，尤其是其与二氧化硅（SiO?）等绝缘衬底之间的能带对齐情况。通过实验手段，我们利用内部光电发射光谱（IPE）技术，对生长在二氧化硅衬底上的MoTe?少层薄膜进行了分析。这些薄膜通过化学气相沉积（CVD）方法直接生长，确保了材料的纯度和相态的可控性。研究发现，在1T’/2H界面处，电子态的对齐情况呈现出一种特殊的特性：费米能级被“钉扎”在特定位置，这种现象与界面缺陷无关，也未受到范德华（VdW）间隙的影响。这表明，费米能级钉扎可能是导致低肖特基势垒的关键因素。

在实验过程中，我们对单相的1T’-MoTe?和2H-MoTe?进行了对比分析。通过测量它们的费米能级相对于二氧化硅导带底部的能量位置，我们发现两者之间存在约0.4eV的能量差异。这一结果揭示了在1T’/2H界面处，电子态的对齐方式可能与费米能级的钉扎效应有关，而不是由界面缺陷或范德华间隙所主导。费米能级钉扎效应意味着，在界面处，电子态的能量分布受到某种机制的限制，从而导致能带对齐的非对称性。这一现象在半导体与绝缘体的界面中较为常见，通常与界面处的电荷积累或电荷转移有关。

我们还探讨了这种能带对齐特性对电子器件性能的影响。由于MoTe?在不同相态下表现出不同的电学行为，例如1T’相具有金属特性，而2H相则具有半导体特性，因此在设计电子器件时，如何有效调控这两种相态之间的界面特性至关重要。费米能级钉扎效应的存在意味着，即使在没有明显界面缺陷的情况下，电子态的能量分布仍可能受到界面处的电荷行为影响。这种现象可能对器件的载流子迁移率、电导率以及开关特性产生深远影响。

此外，我们还研究了MoTe?在异质结构中的应用潜力。例如，MoTe?与另一种具有不同电学特性的二维材料（如MoS?）结合时，其界面特性可能成为优化器件性能的关键因素。MoS?通常表现出n型特性，而MoTe?则倾向于p型特性，这种电学特性的差异使得它们在异质结构中能够形成金属-半导体结，从而用于构建高性能的场效应晶体管（FETs）。然而，由于界面处的能带对齐特性尚未完全明确，因此在设计和优化这类异质结构器件时仍面临诸多挑战。

在实验过程中，我们采用了先进的表征技术，如拉曼光谱和内部光电发射光谱，以确保对MoTe?相态和能带结构的准确分析。拉曼光谱用于确认材料的相态，而内部光电发射光谱则用于测量费米能级和能带边缘的能量位置。通过这些技术手段，我们能够排除化学混合或污染的影响，从而更清晰地揭示界面处的电子行为。实验结果显示，1T’-MoTe?的费米能级与2H-MoTe?的价带顶（VB）之间存在显著的能量差异，这进一步支持了费米能级钉扎效应的存在。

值得注意的是，这种能带对齐特性不仅影响MoTe?本身的电子行为，还可能对整个器件的电学性能产生重要影响。例如，在构建基于MoTe?的晶体管时，界面处的能带对齐情况将直接影响载流子的注入效率和器件的开关特性。因此，理解并控制这种界面特性对于提升器件性能具有重要意义。此外，费米能级钉扎效应的存在还意味着，界面处的电荷行为可能对器件的稳定性和可靠性产生影响，特别是在低电压电子器件的设计中。

本研究的结果表明，MoTe?在不同相态之间的界面处表现出独特的电子特性，这些特性可能为未来电子器件的设计提供新的思路。例如，通过调控界面处的费米能级，可以实现对载流子行为的精确控制，从而优化器件的性能。此外，这些发现也为进一步研究MoTe?与其他二维材料之间的界面特性奠定了基础。由于MoTe?具有良好的可调带隙特性，它在光电子器件、光电探测器、发光二极管以及存储器件等领域都具有广阔的应用前景。

在实际应用中，MoTe?的界面特性可能成为制约其性能的关键因素。例如，在构建基于MoTe?的隧道场效应晶体管（TFETs）时，界面处的能带对齐情况将直接影响器件的电流开关比和功耗。因此，深入研究MoTe?与绝缘衬底之间的界面特性，不仅有助于理解其基本物理行为，还可能为开发新型电子器件提供重要的理论依据和实验指导。此外，随着对MoTe?研究的不断深入，其在柔性电子、可穿戴设备以及纳米尺度器件中的应用也将变得更加可行。

总之，MoTe?作为一种具有多种相态和独特电子特性的材料，其在电子器件中的应用潜力巨大。然而，要充分发挥其优势，仍需进一步研究其与技术相关衬底之间的电子界面特性。本研究通过实验手段揭示了MoTe?在不同相态之间的能带对齐情况，并发现费米能级钉扎效应可能是导致低肖特基势垒的关键因素。这些发现不仅有助于理解MoTe?的基本物理行为，还为未来电子器件的设计和优化提供了新的思路和方法。通过进一步探索MoTe?与其他二维材料之间的界面特性，我们有望开发出性能更优、应用更广泛的电子器件。