武汉大学张召富教授:MXene/β-Ga₂O₃ vdW接触,钉扎因子从0.17提升至0.60

2026-08-27 18:17:01

β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体（~4.8 eV）在功率电子领域前景广阔，但传统金属接触受严重费米能级钉扎（FLP） 困扰，钉扎因子仅S≈0.17（几乎完全钉扎），肖特基势垒高度（SBH）无法通过金属功函数有效调控。本文提出2D金属/3D半导体vdW接触新范式：利用Ti₃C₂Tₓ MXene（T=O/F/OH等）作电极，通过DFT计算系统研究MXene/β-Ga₂O₃界面电子结构。MXene不同表面终止可实现功函数连续调控（1.50–6.52 eV）；vdW界面势垒有效阻断金属诱导隙态（MIGS），结合β-Ga₂O₃(100)B面的自钝化特性，将钉扎因子提升至S=0.60（vs 元素金属的0.17），SBH可连续调谐0.15–3.12 eV；进一步通过界面键合工程（vdW→Ti-O共价键），在该体系中同时实现理想欧姆接触（势垒0.06 eV、隧穿概率100%）。

二、研究要点

MXene功函数调控机制：不同表面终止（F/O/OH/S/Cl/Br/I/NH等）改变表面偶极矩，MXene功函数在1.50–6.52 eV连续可调；混合终止（如Ti₃C₂OF）的功函数非线性偏离组分平均值，源于Bader电荷的非线性叠加。
vdW接触大幅削弱FLP：Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃界面存在~2.8 Å vdW间隙，形成高势垒阻断MIGS（界面电荷转移仅0.002 e/Å²，vs Ti/β-Ga₂O₃共价界面的0.36 e/Å²）；首层Ga₂O₃的DOS在带隙内无MIGS；结合β-Ga₂O₃(100)B面自钝化，钉扎因子从0.17提升至0.60；引入氧空位后S降至0.36，证明FLP由MIGS和表面态共同引起。
SBH连续可调：通过MXene终止工程，n型SBH可在0.15（Ti₃C₂(OH)₂）至3.12 eV（Ti₃C₂S₂） 连续调控；隧穿概率除Ti₃C₂NHOH（3.51%）外均<1%，满足高性能肖特基接触要求。
界面偶极对钉扎的影响：即使无界面态，界面偶极仍使S无法达到理想值1；ΔV（界面两侧真空能级差）与ΔWF（功函数差）线性相关，偶极矩与ΔV成正比，SBH变化（ΔΦ_n）与偶极矩高度相关。
同一体系中实现理想欧姆接触：界面键合转换——去除MXene表面终止层，暴露Ti与β-Ga₂O₃表面O形成Ti-O共价键（消除vdW隧穿势垒），隧穿概率100%；进一步通过上表面不同终止调控，n-SBH在0.06–0.45 eV范围可调，其中Ti₃C₂OH/β-Ga₂O₃势垒仅0.06 eV，实现理想欧姆接触。

三、研究方法

计算软件：VASP，PAW赝势，PBE交换关联泛函，DFT-D3修正vdW相互作用；平面波截断能520 eV，力收敛标准0.01 eV/Å，能量收敛10⁻⁵ eV。
模型构建：Ti₃C₂Tₓ（T=O/F/OH/S/NH/Cl/Br/I及混合终止）与β-Ga₂O₃(100)B面构建vdW异质结；晶格常数预匹配以消除应变影响；5 ps AIMD（300 K）验证结构稳定性。
物性提取：功函数=真空能级−费米能级；Bader电荷计算表面偶极矩（μ_S=Σq_i d_i/A）；n-SBH通过芯能级法（core-level method）提取；隧穿概率由静电势提取势垒高度和宽度后计算；输运通过NEGF计算I-V和透射。