Superior spin-polarized electronic structure in MoS2/MnO2 heterostructures with an efficient hole injection

文献情報

出版日 2019-04-27
DOI 10.1039/C9CP01146C
インパクトファクター 3.676
著者

Baozeng Zhou, Zheng Li, Jiaming Wang, Kangqiang Wang


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要旨

Two-dimensional (2D) materials with intrinsic magnetism and low hole injection barriers to transition metal dichalcogenides are crucial to develop dopant-free all-2D p-type spin field effect transistors for CMOS logic and spintronic applications. Here, the electronic structures of 2D MoS2/MnO2 heterostructures are investigated by first-principles calculations, where the monolayered MnO2 has two polymorphs including magnetic metal h-MnO2 and magnetic semiconductor t-MnO2. Both the MoS2/h-MnO2 and MoS2/t-MnO2 heterostructures show p-type doping for MoS2. In the MoS2/h-MnO2 model with a semiconductor/metal contact, the charge transfer can affect the occupation of Mn 3d and O 2p orbitals, which results in a half-metallic characteristic of the heterostructure with a Schottky barrier height of only 0.15 eV. However, the MoS2/t-MnO2 model with a semiconductor/semiconductor contact shows a spin-gapless electronic structure. Moreover, the type-II band alignment of the MoS2/t-MnO2 heterostructure can facilitate the effective separation of electrons and holes, which can enhance the lifetime of interlayer excitons. The long interlayer exciton lifetime makes it a good candidate for electron–hole separators and related optoelectronic devices. By applying vertical compression, the spin channel of the half-metallic MoS2/h-MnO2 heterostructure can be reversed and the spin-gapless band structure of the MoS2/t-MnO2 heterostructure becomes half-metallic. Furthermore, by applying a gate voltage, the Schottky barrier height and the spin-gapless gap can be tailored. The tunable spin polarization, spin-polarized direction and exciton recombination rate provide a feasible way toward spintronics and optoelectronics.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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