A two-dimensional (2D) MoSi2N4 monolayer is an emerging class of air-stable 2D semiconductors possessing exceptional electrical and mechanical properties. Despite intensive recent research effort devoted to uncover the material properties of MoSi2N4, the physics of electrical contacts to MoSi2N4 remains largely unexplored thus far. In this work, we study van der Waals heterostructures composed of MoSi2N4 contacted by graphene and NbS2 monolayers using first-principles density functional theory calculations. We show that the MoSi2N4/NbS2 contact exhibits an ultralow Schottky barrier height (SBH), which is beneficial for nanoelectronics applications. For the MoSi2N4/graphene contact, the SBH can be modulated via the interlayer distance or via external electric fields, thus opening up an opportunity for reconfigurable and tunable nanoelectronic devices. Our findings provide insights into the physics of 2D electrical contacts to MoSi2N4 and shall offer a critical first step toward the design of high-performance electrical contacts to MoSi2N4-based 2D nanodevices.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
G.
Fiori
,
F.
Bonaccorso
,
G.
Iannaccone
,
T.
Palacios
,
D.
Neumaier
,
A.
Seabaugh
,
S. K.
Banerjee
, and
L.
Colombo
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
768
(
2014
).
3.
Y.-Q.
Bie
,
G.
Grosso
,
M.
Heuck
,
M. M.
Furchi
,
Y.
Cao
,
J.
Zheng
,
D.
Bunandar
,
E.
Navarro-Moratalla
,
L.
Zhou
,
D. K.
Efetov
 et al,
Nat. Nanotechnol.
12
,
1124
(
2017
).
4.
F.
Xia
,
H.
Wang
,
D.
Xiao
,
M.
Dubey
, and
A.
Ramasubramaniam
,
Nat. Photonics
8
,
899
(
2014
).
5.
Y.
Ye
,
J.
Xiao
,
H.
Wang
,
Z.
Ye
,
H.
Zhu
,
M.
Zhao
,
Y.
Wang
,
J.
Zhao
,
X.
Yin
, and
X.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
598
(
2016
).
6.
E.
Pomerantseva
and
Y.
Gogotsi
,
Nat. Energy
2
,
17089
(
2017
).
7.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
8.
A. C.
Ferrari
,
F.
Bonaccorso
,
V.
Fal'ko
,
K. S.
Novoselov
,
S.
Roche
,
P.
Boggild
,
S.
Borini
,
F. H. L.
Koppens
,
V.
Palermo
,
N.
Pugno
 et al,
Nanoscale
7
,
4598
(
2015
).
9.
A.
Bafekry
,
M. M.
Obeid
,
C. V.
Nguyen
,
M.
Ghergherehchi
, and
M.
Bagheri Tagani
,
J. Mater. Chem. A
8
,
13248
(
2020
).
10.
A.
Bafekry
,
B.
Akgenc
,
S. F.
Shayesteh
, and
B.
Mortazavi
,
Appl. Surf. Sci.
505
,
144450
(
2020
).
11.
A.
Bafekry
and
M.
Neek-Amal
,
Phys. Rev. B
101
,
085417
(
2020
).
12.
K.
Huang
,
Z.
Li
,
G.
Han
, and
P.
Huang
,
Chem. Soc. Rev.
47
,
5109
(
2018
).
13.
X.
Xiao
,
H.
Wang
,
W.
Bao
,
P.
Urbankowski
,
L.
Yang
,
Y.
Yang
,
K.
Maleski
,
L.
Cui
,
S. J. L.
Billinge
,
G.
Wang
 et al,
Adv. Mater.
31
,
1902393
(
2019
).
14.
H.
Liu
,
A. T.
Neal
,
Z.
Zhu
,
Z.
Luo
,
X.
Xu
,
D.
Tománek
, and
P. D.
Ye
,
ACS Nano
8
,
4033
(
2014
).
15.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
16.
B.
Feng
,
J.
Zhang
,
Q.
Zhong
,
W.
Li
,
S.
Li
,
H.
Li
,
P.
Cheng
,
S.
Meng
,
L.
Chen
, and
K.
Wu
,
Nat. Chem.
8
,
563
(
2016
).
17.
M.
Naguib
,
V. N.
Mochalin
,
M. W.
Barsoum
, and
Y.
Gogotsi
,
Adv. Mater.
26
,
992
(
2014
).
18.
K.
Khan
,
A. K.
Tareen
,
M.
Aslam
,
R.
Wang
,
Y.
Zhang
,
A.
Mahmood
,
Z.
Ouyang
,
H.
Zhang
, and
Z.
Guo
,
J. Mater. Chem. C
8
,
387
(
2020
).
19.
M. E.
Beck
and
M. C.
Hersam
,
ACS Nano
14
,
6498
(
2020
).
20.
L.
Cao
,
Y. S.
Ang
,
Q.
Wu
, and
L. K.
Ang
,
Phys. Rev. B
101
,
035422
(
2020
).
21.
J.
Lipton
,
G.-M.
Weng
,
J. A.
Röhr
,
H.
Wang
, and
A. D.
Taylor
,
Matter
2
,
1148
(
2020
).
22.
X.
Li
,
L.
Tao
,
Z.
Chen
,
H.
Fang
,
X.
Li
,
X.
Wang
,
J.-B.
Xu
, and
H.
Zhu
,
Appl. Phys. Rev.
4
,
021306
(
2017
).
23.
Y.-L.
Hong
,
Z.
Liu
,
L.
Wang
,
T.
Zhou
,
W.
Ma
,
C.
Xu
,
S.
Feng
,
L.
Chen
,
M.-L.
Chen
,
D.-M.
Sun
,
X.-Q.
Chen
,
H.-M.
Cheng
, and
W.
Ren
,
Science
369
,
670
(
2020
).
24.
A.
Bafekry
,
M.
Faraji
,
D. M.
Hoat
,
M. M.
Fadlallah
,
M.
Shahrokhi
,
F.
Shojaei
,
D.
Gogova
, and
M.
Ghergherehchi
, arXiv:2009.04267v1 (
2020
).
25.
C.
Yang
,
Z.
Song
,
X.
Sun
, and
J.
Lu
, arXiv:2010.10764 (
2020
).
26.
A.
Venugopal
,
L.
Colombo
, and
E. M.
Vogel
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
013512
(
2010
).
27.
Y. S.
Ang
,
H. Y.
Yang
, and
L. K.
Ang
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
056802
(
2018
).
28.
D. S.
Schulman
,
A. J.
Arnold
, and
S.
Das
,
Chem. Soc. Rev.
47
,
3037
(
2018
).
29.
A.
Allain
,
J.
Kang
,
K.
Vanerjee
, and
A.
Kis
,
Nat. Mater.
14
,
1195
(
2015
).
30.
S.
Banerjee
,
L.
Cao
,
Y. S.
Ang
,
L. K.
Ang
, and
P.
Zhang
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
064021
(
2020
).
31.
W.
Xiong
,
C.
Xia
,
X.
Zhao
,
T.
Wang
, and
Y.
Jia
,
Carbon
109
,
737
(
2016
).
32.
Q. Y.
Wu
,
Y. S.
Ang
,
L. M.
Cao
, and
L. K.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
083105
(
2019
).
33.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
34.
Y.
Liu
,
P.
Stradins
, and
S.-H.
Wei
,
Sci. Adv.
2
,
e1600069
(
2016
).
35.
A.
Ebnonnasir
,
B.
Narayanan
,
S.
Kodambaka
, and
C. V.
Ciobanu
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
031603
(
2014
).
36.
F.
Zhang
,
W.
Li
,
Y.
Ma
,
Y.
Tang
, and
X.
Dai
,
RSC Adv.
7
,
29350
(
2017
).
37.
L.
Cao
,
Y. S.
Ang
,
Q.
Wu
, and
L. K.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
241601
(
2019
).
38.
D.
Pierucci
,
H.
Henck
,
J.
Avila
,
A.
Balan
,
C. H.
Naylor
,
G.
Patriarche
,
Y. J.
Dappe
,
M. G.
Silly
,
F.
Sirotti
,
A. T. C.
Johnson
 et al,
Nano Lett.
16
,
4054
(
2016
).
39.
Y. K.
Luo
,
J.
Xu
,
T.
Zhu
,
G.
Wu
,
E. J.
McCormick
,
W.
Zhan
,
M. R.
Neupane
, and
R. K.
Kawakami
,
Nano Lett.
17
,
3877
(
2017
).
40.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
41.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
42.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
43.
H. G.
Shin
,
H. S.
Yoon
,
J. S.
Kim
,
M.
Kim
,
J. Y.
Lim
,
S.
Yu
,
J. H.
Park
,
Y.
Yi
,
T.
Kim
,
S. C.
Jun
, and
S.
Im
,
Nano Lett.
18
,
1937
(
2018
).
44.
X.
Ding
,
S.
Zhang
,
M.
Zhao
,
Y.
Xiang
,
K. H. L.
Zhang
,
X.
Zu
,
S.
Li
, and
L.
Qiao
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
064061
(
2019
).
45.
46.
M.
Dienwiebel
,
G. S.
Verhoeven
,
N.
Pradeep
,
J. W. M.
Frenken
,
J. A.
Heimberg
, and
H. W.
Zandbergen
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
126101
(
2004
).
47.
S.
Clark
,
K.-J.
Jeon
,
J.-Y.
Chen
, and
C.-S.
Yoo
,
Solid State Commun.
154
,
15
(
2013
).
48.
S.
Tongay
,
W.
Fan
,
J.
Kang
,
J.
Park
,
U.
Koldemir
,
J.
Suh
,
D. S.
Narang
,
K.
Liu
,
J.
Ji
,
J.
Li
,
R.
Sinclair
, and
J.
Wu
,
Nano Lett.
14
,
3185
(
2014
).
49.
H.
Fang
,
C.
Battaglia
,
C.
Carraro
,
S.
Nemsak
,
B.
Ozdol
,
J. S.
Kang
,
H. A.
Bechtel
,
S. B.
Desai
,
F.
Kronast
,
A. A.
Unal
,
G.
Conti
,
C.
Conlon
,
G. K.
Palsson
,
M. C.
Martin
,
A. M.
Minor
,
C. S.
Fadley
,
E.
Yablonovitch
,
R.
Maboudian
, and
A.
Javey
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
6198
(
2014
).
50.
J. E.
Padilha
,
A.
Fazzio
, and
A. J. R.
da Silva
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
066803
(
2015
).
51.
W.
Hu
,
T.
Wang
,
R.
Zhang
, and
J.
Yang
,
J. Mater. Chem. C
4
,
1776
(
2016
).
52.
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
A.
Mishchenko
,
T.
Georgiou
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
,
N. M. R.
Peres
,
J.
Leist
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
L. A.
Ponomarenko
,
Science
335
,
947
(
2012
).
53.
A.
Bafekry
,
C.
Stampfl
, and
M.
Ghergherehchi
,
Nanotechnology
31
,
295202
(
2020
).
54.
A.
Bafekry
,
B.
Akgenc
,
M.
Ghergherehchi
, and
F. M.
Peeters
,
J. Phys.: Condens. Matter
32
,
355504
(
2020
).
55.
M.-Y.
Li
,
Y.
Shi
,
C.-C.
Cheng
,
L.-S.
Lu
,
Y.-C.
Lin
,
H.-L.
Tang
,
M.-L.
Tsai
,
C.-W.
Chu
,
K.-H.
Wei
,
J.-H.
He
 et al,
Science
349
,
524
(
2015
).
56.
J. E.
Padilha
,
R. H.
Miwa
,
A. J. R.
da Silva
, and
A.
Fazzio
,
Phys. Rev. B
95
,
195143
(
2017
).
57.
C.-H.
Lee
,
G.-H.
Lee
,
A. M.
van der Zande
,
W.
Chen
,
Y.
Li
,
M.
Han
,
X.
Cui
,
G.
Arefe
,
C.
Nuckolls
,
T. F.
Heinz
 et al,
Nat. Nanotechnol.
9
,
676
(
2014
).
58.
J.
Gusakova
,
X.
Wang
,
L. L.
Shiau
,
A.
Krivosheeva
,
V.
Shaposhnikov
,
V.
Borisenko
,
V.
Gusakov
, and
B. K.
Tay
,
Phys. Status Solidi A
214
,
1700218
(
2017
).
59.
S.-J.
Liang
,
B.
Cheng
,
X.
Cui
, and
F.
Miao
,
Adv. Mater.
32
,
1903800
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.