摘要
摘要
寻求超越传统硅基器件的半导体材料，有利于解决我国在芯片领域的卡脖
子问题。欧洲微电子研究中心（IMEC）在2020年指出，在芯片进一步小型化
的道路上，除了二维材料别无选择。二维材料因其柔性、超薄、无表面悬键、
层数可调等优点，展示出在（光、自旋）电子器件领域的潜在应用。然而，二
维材料在实际应用中也面临一些挑战。一方面，实际制备的二维材料，总会存
在边界或边缘（可类比于三维材料的表面）。边界的存在会极大地改变和影响二
维半导体材料的本征性质，如半导体-金属转变、带隙减小或关闭、边界磁性、
电荷密度波和自旋密度波等。另一方面，二维半导体和金属电极形成异质结用
于电子器件时，在金属-半导体界面处会产生接触电阻，接触电阻大和缺少p型
接触是典型二维半导体（MoS2）器件应用中所面临的严峻问题。
本论文通过理论分析和模拟计算，揭示出新型二维材料MSiN的单层及异
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质结在自旋（光）电子器件中的应用潜力；针对合成MSiN和TMDCs家族时
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的边缘重构问题，给出了新的重构模型和对重构机理更深刻的微观物理解释；
最后，为了促进二维材料在互补逻辑器件中的应用，提出一种降低金属-MoS2结
p型肖特基势垒的新方法，并实现欧姆接触。具体如下：
首先，研究了单层H相和T相MSiN（M=Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta,Cr，
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Mo，W）的电子结构，通过晶体场和交换场引起的d能级劈裂以及电子轨道填
充来理解不同单层的电子结构。基于第V-B族（M=V，Nb，Ta）单层和异质结
展示出的丰富电子性质（如磁性半金属、磁性半导体和双极磁性半导体等，并
且具有高的居里温度），模拟了在自旋电子器件方面的应用。MSiN半导体组
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成的异质结的能带排布类型和动量空间匹配，展示出在光电子器件方面的应用
潜力。这一部分的研究揭示了MSiN家族在高温（室温）自旋（光）电子器件
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方面的应用潜力。
其次，研究了MoSiN单层两种典型边界（扶手椅形和锯齿形纳米带）的
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本征性质，探究了锯齿形纳米带的边缘重构及重构后对金属化和电子结构的影
响，提出3倍单胞的N重构模型可以打开一个小的带隙。这一部分的研究建立
了MoSiN边缘重构的理论基础和重构模型。
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再次，为进一步理解边缘重构微观机理，针对实验和理论上已有大量数据
和模型可参考的H-MoX2（X=S，Se）锯齿形纳米带Mo边缘的重构进行了深入
研究。分析了常规的电子计数规则在边缘重构上的不足，并采用不同的赝氢钝
化模型研究边缘重构机理。提出了新的边缘重构机制，即：边缘上的原子不仅
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哈尔滨工业大学工程博士学位论文
发生结构重构，也会发生电子重构，尤其是价态的升高和降低。提出新的重构
模型，其边缘带隙数值与相关实验测量到的边缘带隙大小相当，验证了新模型
的合理性。
最后，针对二维半导体用于电子器件的瓶颈问题（金属-半导体结界面电阻），
初步研究了降低金属-半导体结接触电阻的方法，提出采用具有较弱金属性的二
元化合物（CuS）作为电极与典型二维半导体材料（MoS2）