面向长波红外能量收集的平面MIM二极管：基于新型电极-绝缘体材料组合的对比性能分析

《Materials》：Comparative Performance Analysis of Planar MIM Diodes with Novel Electrode–Insulator Material Combinations for LWIR Energy Harvesting

　　

摘要

金属–绝缘体–金属（MIM）隧穿二极管凭借其超快响应速度和零偏置工作能力，是长波红外（LWIR）整流天线系统中最具前景的整流器件之一。然而，其性能强烈依赖于电极和介电材料的选择，这使得确定最优材料组合成为关键挑战。为解决这一问题，本理论研究基于一套量子力学隧穿框架，对一类新型MIM二极管进行了数值研究。通过广泛的文献调研，选择了新的过渡金属二硫化物（NbS₂、VSe₂和TaS₂）作为阳极材料（M1），导电碳化物和氮化物（Mo₂C、VN和V）作为阴极材料（M2），以及稀土氧化物和氧卤化物化合物（Sc₂O₃、LaOF和LaOBr）作为隧穿势垒（I）。将这些材料组合在一起，设计了此前未被探索的用于LWIR整流的MIM结构。利用Simmons隧穿模型，通过计算电流密度–电压（J–V）和电流–电压（I–V）特性以及关键性能指标（FOMs）——包括零偏置电阻、不对称因子、非线性度和响应度，在室温（300 K）下评估了电输运和整流特性。系统地研究了隧穿势垒高度和介电性质对器件性能的影响。在所研究的所有结构中，TaS₂/LaOBr/V MIM二极管表现出最具前景的综合性能，在300 K下实现了超过2.5 × 10⁵的不对称因子、非线性因子为1以及零偏置响应度为10 V^?1。此外，该结构在提出的所有材料组合中展现出最高的电流密度和最理想的I–V特性。这些结果表明，TaS₂/LaOBr/V材料体系是高性能LWIR能量收集应用的有前景候选材料，其优化的隧穿势垒高度既能促进高效的电子隧穿，又保持了优异的整流特性。