Dirac Metallic FeB2-Induced Low Schottky Barrier and Electrically Tunable Schottky Contact in FeB2/MoS2 van der Waals Heterostructure

Trong những năm gần đây, vật liệu hai chiều (2D) đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu trọng tâm của vật lý chất rắn và khoa học vật liệu nhờ sở hữu các tính chất điện tử, cơ học và quang học đặc biệt ở cấp độ nguyên tử. Tuy nhiên, việc ứng dụng trực tiếp các vật liệu 2D trong linh kiện điện tử vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt liên quan đến điện trở tiếp xúc, sự ghim mức Fermi và khả năng truyền tải điện tích tại giao diện kim loại–bán dẫn. Vì vậy, việc thiết kế các cấu trúc dị thể van der Waals (vdW) nhằm tối ưu hóa tiếp xúc Schottky và nâng cao hiệu suất vận chuyển điện tích đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng nghiên cứu quốc tế.

Đó là nội dung nghiên cứu của nhóm tác giả gồm TS. Trần Thị Nhàn – Giảng viên Vật lý, khoa Khoa học cơ bản, Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Nguyễn Quốc Cường – Trường Đại học Duy Tân; TS. Nguyễn Văn Chương – Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn cùng các cộng sự, được công bố trên tạp chí Nanoscale Advances do Royal Society of Chemistry xuất bản ngày 06/5/2026 thuộc danh mục ISI (Q1).

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp tính toán nguyên lý đầu tiên dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để khảo sát một cách hệ thống các tính chất cấu trúc, điện tử và đặc tính tiếp xúc giao diện của cấu trúc dị thể vdW giữa kim loại Dirac FeB₂ và bán dẫn MoS₂. Kết quả cho thấy lớp đơn FeB₂ sở hữu cấu trúc lục giác phẳng ổn định cùng trạng thái kim loại Dirac đặc trưng, với các electron Dirac phi khối lượng được bảo toàn tốt sau khi tích hợp với lớp MoS₂.

Các tính toán cũng chỉ ra rằng cấu trúc dị thể Dirac-FeB₂/MoS₂ ổn định về mặt năng lượng, cơ học, nhiệt học và động lực học, cho thấy khả năng chế tạo thực nghiệm đầy triển vọng. Đặc biệt, hệ hình thành tiếp xúc Schottky loại n với chiều cao rào cản điện tử siêu thấp chỉ khoảng 0,125 eV cùng điện trở xuyên hầm nhỏ cỡ 1,82×10⁻⁹ Ω·cm², tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiêm và truyền tải điện tích hiệu quả qua giao diện. Hiệu suất tiếp xúc vượt trội này được cho là bắt nguồn từ sự phi định xứ của các electron Dirac và hiệu ứng ghim mức Fermi yếu tại giao diện kim loại–bán dẫn.

Bên cạnh đó, nghiên cứu còn chứng minh điện trường ngoài có thể điều chỉnh hiệu quả chiều cao rào cản Schottky và loại tiếp xúc trong hệ. Cụ thể, điện trường âm làm giảm rào cản điện tử và thúc đẩy sự chuyển đổi thuận nghịch từ tiếp xúc Schottky sang tiếp xúc Ohmic, trong khi điện trường dương làm tăng rào cản nhưng vẫn duy trì đặc tính bán dẫn loại n.

Những kết quả đạt được không chỉ làm sáng tỏ vai trò của kim loại Dirac trong kỹ thuật điều khiển tiếp xúc giao diện, mà còn khẳng định FeB₂ là vật liệu điện cực đầy triển vọng cho các linh kiện nano điện tử và quang điện tử hai chiều thế hệ mới với điện trở tiếp xúc thấp, hiệu suất cao và khả năng điều khiển linh hoạt bằng điện trường ngoài.

Abstract: In this work, we employ first-principles density functional theory (DFT) calculations to systematically investigate the interfacial electronic properties and contact behavior of a Dirac-metallic Dirac-FeB2/MoS2 van der Waals (vdW) heterostructure. The Dirac-FeB2/MoS2 system is found to be energetically, mechanically, thermally, and dynamically stable, indicating its potential experimental feasibility. Notably, the heterostructure forms an n-type Schottky contact with an ultralow electron barrier height of 0.125 eV and a low tunneling resistance of 1.82×10−9 Ω·cm2 . This superior contact performance is attributed to the delocalized Dirac electrons and the weak Fermi-level pinning at the interface, providing key insight into the role of Dirac metals in contact engineering. Furthermore, the Schottky barrier can be effectively tuned by an external electric field, enabling a reversible transition from Schottky to Ohmic contact. These findings highlight the promise of Dirac metallic FeB2 as an efficient electrode material and offer practical guidance for the design of high-performance 2D nanoelectronic and optoelectronic devices with reduced contact resistance

Keywords: 2D nanoelectronics; Electrode material; Density functional theory (DFT); Tunneling resistance; FeB₂ monolayer; Planar hexacoordinate.

Toàn văn bài báo xem tại: https://doi.org/10.1039/D6NA00090H

Một vài hình vẽ trong bài báo