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The Schottky–Mott Rule Expanded for Two-Dimensional Semiconductors: Influence of Substrate Dielectric Screening

半导体 材料科学 肖特基二极管 凝聚态物理 单层 费米能级 带隙 莫特跃迁 电介质 肖特基势垒 莫特绝缘子 工作职能 光电子学 电子 纳米技术 物理 二极管 赫巴德模型 量子力学 超导电性 图层(电子)
作者
Soohyung Park,Thorsten Schultz,Dongguen Shin,Niklas Mutz,Areej Aljarb,Hee Seong Kang,Chul‐Ho Lee,Lain‐Jong Li,Xiaomin Xu,Vincent Tung,Emil List,S. Blumstengel,Patrick Amsalem,Norbert Koch
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (9): 14794-14803 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c04825
摘要

A comprehensive understanding of the energy level alignment mechanisms between two-dimensional (2D) semiconductors and electrodes is currently lacking, but it is a prerequisite for tailoring the interface electronic properties to the requirements of device applications. Here, we use angle-resolved direct and inverse photoelectron spectroscopy to unravel the key factors that determine the level alignment at interfaces between a monolayer of the prototypical 2D semiconductor MoS2 and conductor, semiconductor, and insulator substrates. For substrate work function (Φsub) values below 4.5 eV we find that Fermi level pinning occurs, involving electron transfer to native MoS2 gap states below the conduction band. For Φsub above 4.5 eV, vacuum level alignment prevails but the charge injection barriers do not strictly follow the changes of Φsub as expected from the Schottky-Mott rule. Notably, even the trends of the injection barriers for holes and electrons are different. This is caused by the band gap renormalization of monolayer MoS2 by dielectric screening, which depends on the dielectric constant (εr) of the substrate. Based on these observations, we introduce an expanded Schottky-Mott rule that accounts for band gap renormalization by εr -dependent screening and show that it can accurately predict charge injection barriers for monolayer MoS2. It is proposed that the formalism of the expanded Schottky-Mott rule should be universally applicable for 2D semiconductors, provided that material-specific experimental benchmark data are available.

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