V2NO2/ TiSi2N4异质结界面性质调控的理论研究

冯继辰，马宁，牛丽

V2NO2/ TiSi2N4异质结界面性质调控的理论研究

冯继辰1，马宁2，牛丽1

（哈尔滨师范大学 1. 物理与电子工程学院，2. 计算机科学与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

MXenes；异质结；肖特基势垒；第一性原理；MA2Z4

1 计算方法

2 结果与讨论

2.1 电子结构特性

在建立V2NO2/TiSi2N4异质结模型之前，研究了V2NO2和TiSi2N4单层的结构信息及电子结构．V2NO2中的氧原子在晶胞中具有三个不同的结合位点：直接占据上面V原子的表面空位（构型I）；在N原子的顶部和由三个相邻的V原子形成的三角形的中空处（构型II）；在底部V原子的顶部和三个相邻的N原子的中心上（构型III）．计算结果与文献[9]相同，构型III具有最低的能量，说明构型III比V2NO2其他两种构型更稳定．优化后的最稳定结构见图1a，V2NO2纳米单层的空间群为164（3），晶格参数为2.91 nm-1．

V2NO2的能带结构见图1b，通过能带图可知V2NO2保留了V2N的金属性质，考虑到构型III在能量上是最有利结构并且保持了体系类金属性质，构型III的V2NO2是用于构建金属-半导体异质结构的理想构型．

图2 V2NO2/ TiSi2N4异质结的六种堆叠方式（分别称为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ）

当两个层堆叠形成异质结构时，会发生电荷的重新分布和转移，为了分析其相互作用，计算了异质结构中的三维电荷密度差分，结果见图3．图3a中黄色和淡蓝色区域分别表示电荷积累和耗尽．黄色区域正好在V2NO2层表面之下，这表明电子在V2NO2层周围积累；而TiSi2N4层的表面被淡蓝色区域包围，这意味着空穴在TiSi2N4层周围积聚．而静电势也能看出这一点（见图3b），电子从静电势低的一端向高的一端转移，即由TiSi2N4层向V2NO2层转移．电子局域函数（ELF）也绘制在图3c中，可以看到靠近TiSi2N4层的Ti原子周围的局域电子形状与另一侧的Ti原子周围的局域电子形状明显不同，这表明异质结构中存在层间范德瓦尔斯相互作用．

图3 V2CO2/TiSi2N4异质结电子性质

2.2 外加电场对肖特基势垒的调控

施加不同外电场时V2NO2/TiSi2N4肖特基结的投影能带结构（外电场施加范围为-0.5～+0.5 V/nm-1）见图4b．计算结果表明，在正的外加电场调节下，VBM和CBM先上升后下移；在负的外加电场调节下，其VBM和CBM的总体趋势为下移趋势．在正负外加电场作用下，单层TiSi2N4保持了原间接带隙半导体的特性．

图4 异质结在外电场作用下的肖特基势垒和能带结构的变化

3 结语

[1] HONG Y L，LIU Z，WANG L，et al．Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4materials[J]．Science，2020， 369（6504）：670-674．

[2] REN K，SHU H，WANG K，et al．Two-dimensional MX2Y4systems：Ultrahigh carrier transport and excellent hydrogen evolution reaction performances[J]．Physical Chemistry Chemical Physics，2023，25（6）：4519-4527.

[3] ZHAO P，JIANG Z Y，ZHENG J M，et al．Theoretical Study of a Novel WSi2N4/MoSi2N4Heterostructure with Ultrafast Carrier Transport[J]．The Journal of Physical Chemistry C，2022，126（27）：11380-11388．

[4] Nguyen C，Hoang N V，Phuc H V，et al．Two-dimensional boron phosphide/MoGe2N4van der Waals heterostructure：A promising tunable optoelectronic material[J]．The Journal of Physical Chemistry Letters，2021，12（21）：5076-5084．

[5] Deysher G，Shuck C E，Hantanasirisakul K，et al．Synthesis of Mo4VAlC4MAX phase and two-dimensional Mo4VC4MXene with five atomic layers of transition metals[J]．ACS Nano，2019，14（1）：204-217．

[6] YANG E，JI H，KIM J，et al．Exploring the possibilities of two-dimensional transition metal carbides as anode materials for sodium batteries[J]．Physical Chemistry Chemical Physics，2015，17（7）：5000-5005．

[7] Khazaei M，Arai M，Sasaki T，et al．OH-terminated two-dimensional transition metal carbides and nitrides as ultralow work function materials[J]．Physical Review B，2015，92（7）：075411．

[8] YOU J，SI C，ZHOU J，et al．Contacting MoS2to MXene：vanishing p-type Schottky barrier and enhanced hydrogen evolution catalysis[J]．The Journal of Physical Chemistry C，2019，123（6）：3719-3726．

[9] FAN K，YING Y，LUO X，et al．Nitride MXenes as sulfur hosts for thermodynamic and kinetic suppression of polysulfide shuttling： a computational study[J]．Journal of Materials Chemistry A，2021，9（45）：25391-25398．

[10] LIANG Q，LUO X Y，WANG Y X，et al．Modulation of Schottky barrier in XSi2N4/graphene（X= Mo and W）heterojunctions by biaxial strain[J]．Chinese Physics B，2022，31（8）：087101．

[11] Pham D K．Electronic properties of a two-dimensional van der Waals MoGe2N4/MoSi2N4heterobilayer：Effect of the insertion of a graphene layer and interlayer coupling[J]．RSC Advances，2021，11（46）：28659-28666．

[12] Bafekry A，Faraji M，Ziabari A A，et al．A van der Waals heterostructure of MoS2/MoSi2N4：A first-principles study[J]．New Journal of Chemistry，2021，45（18）：8291-8296．

[13] Kresse G，Furthmüller J，Hafner J．Theory of the crystal structures of selenium and tellurium：the effect of generalized-gradient corrections to the local-density approximation[J]．Physical Review B，1994，50（18）：13181．

[14] Perdew J P，Burke K，Ernzerhof M．Generalized gradient approximation made simple[J]．Physical Review Letters，1996，77（18）：3865．

[15] Kresse G，Joubert D．From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method[J]．Physical Review B，1999，59（3）：1758．

[16] Bardeen J．Surface states and rectification at a metal semi-conductor contact[J]．Physical Review，1947，71（10）：717．

Theoretical study of the modulation of interfacial properties of V2NO2/ TiSi2N4heterojunctions

FENG Jichen1，MA Ning2，NIU Li1

（1. School of Physics and Electronic Engineering，2. School of Computer Science and Information Engineering，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

MXenes；heterojunctions；Schottky barriers；first principles；MA2Z4

O469

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.01.010

1007-9831（2024）01-0051-05

2023-06-26

冯继辰（1999-），男，黑龙江牡丹江人，在读硕士研究生，从事凝聚态物理研究．E-mail：1141117031@qq.com

马宁（1981-），男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事第一性原理计算研究．E-mail：maninghsd@163.com