The work function (WF) of a material governs the back and forth movement of the charge carriers across the hetero-interface of two materials. Therefore, for optimum device performance, precise knowledge of the WF is prerequisite while employing any new material in electronic devices. In this work, using metal oxide semiconductor capacitors, we experimentally determine the WF of layered van der Waals topological semimetals (TSMs) 1T′-MoTe2, 1T-PtSe2, and Td-WTe2 as 4.87, 5.05, and 4.82 eV, respectively. The experimentally obtained results are corroborated with density functional theory calculations. Furthermore, by analyzing the vertical current transport across the metal oxide semiconductor stack using Fowler–Nordheim tunneling formalism, the barrier height between the TSMs and the gate insulator (SiO2) is experimentally calculated. The obtained barrier heights are also following the same trend as that of WF for three TSMs. These TSMs host unique topological nontrivial phases potentially useful for the development of emerging quantum technologies, and therefore, the findings of this study are significant for designing the future quantum devices.

1.
A.
Ciarrocchi
,
A.
Avsar
,
D.
Ovchinnikov
, and
A.
Kis
,
Nat. Commun.
9
,
919
(
2018
).
2.
D. H.
Keum
,
S.
Cho
,
J. H.
Kim
,
D. H.
Choe
,
H. J.
Sung
,
M.
Kan
,
H.
Kang
,
J. Y.
Hwang
,
S. W.
Kim
,
H.
Yang
,
K. J.
Chang
, and
Y. H.
Lee
,
Nat. Phys.
11
,
482
(
2015
).
3.
A. A.
Soluyanov
,
D.
Gresch
,
Z.
Wang
,
Q.
Wu
,
M.
Troyer
,
X.
Dai
, and
B. A.
Bernevig
,
Nature
527
,
495
(
2015
).
4.
A. H. M. A.
Wasey
,
S.
Chakrabarty
, and
G. P.
Das
,
J. Appl. Phys.
117
,
064313
(
2015
).
5.
H.
Li
,
X.
Jia
,
Q.
Zhang
, and
X.
Wang
,
Chem
4
,
1510
(
2018
).
6.
S.
Manzeli
,
D.
Ovchinnikov
,
D.
Pasquier
,
O. V.
Yazyev
, and
A.
Kis
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17033
(
2017
).
7.
J.
Ma
,
K.
Deng
,
L.
Zheng
,
S.
Wu
,
Z.
Liu
,
S.
Zhou
, and
D.
Sun
,
2D Mater.
6
,
032001
(
2019
).
8.
Y.
Saito
,
T.
Nojima
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
16094
(
2017
).
9.
P.
Li
,
Y.
Wen
,
X.
He
,
Q.
Zhang
,
C.
Xia
,
Z. M.
Yu
,
S. A.
Yang
,
Z.
Zhu
,
H. N.
Alshareef
, and
X. X.
Zhang
,
Nat. Commun.
8
,
2150
(
2017
).
10.
Y.
Bin Choi
,
Y.
Xie
,
C. Z.
Chen
,
J.
Park
,
S. B.
Song
,
J.
Yoon
,
B. J.
Kim
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
J.
Kim
,
K. C.
Fong
,
M. N.
Ali
,
K. T.
Law
, and
G. H.
Lee
,
Nat. Mater.
19
,
974
(
2020
).
11.
S.
Tang
,
C.
Zhang
,
D.
Wong
,
Z.
Pedramrazi
,
H. Z.
Tsai
,
C.
Jia
,
B.
Moritz
,
M.
Claassen
,
H.
Ryu
,
S.
Kahn
,
J.
Jiang
,
H.
Yan
,
M.
Hashimoto
,
D.
Lu
,
R. G.
Moore
,
C. C.
Hwang
,
C.
Hwang
,
Z.
Hussain
,
Y.
Chen
,
M. M.
Ugeda
,
Z.
Liu
,
X.
Xie
,
T. P.
Devereaux
,
M. F.
Crommie
,
S. K.
Mo
, and
Z. X.
Shen
,
Nat. Phys.
13
,
683
(
2017
).
12.
T.
Nishimura
,
X.
Luo
,
S.
Matsumoto
,
T.
Yajima
, and
A.
Toriumi
,
AIP Adv.
9
,
095013
(
2019
).
13.
P.-C.
Shen
,
C.
Su
,
Y.
Lin
,
A.-S.
Chou
,
C.-C.
Cheng
,
J.-H.
Park
,
M.-H.
Chiu
,
A.-Y.
Lu
,
H.-L.
Tang
,
M.
Mahdi Tavakoli
,
G.
Pitner
,
X.
Ji
,
Z.
Cai
,
N.
Mao
,
J.
Wang
,
V.
Tung
,
J.
Li
,
J.
Bokor
,
A.
Zettl
,
C.-I.
Wu
,
T.
Palacios
,
L.-J.
Li
, and
J.
Kong
,
Nature
593
,
211
(
2021
).
14.
D.
Voiry
,
A.
Mohite
, and
M.
Chhowalla
,
Chem. Soc. Rev.
44
,
2702
(
2015
).
15.
D.
Lu
,
Z.
Li
,
C.
Xu
,
S.
Luo
,
C.
He
,
J.
Li
,
G.
Guo
,
G.
Hao
,
X.
Qi
, and
J.
Zhong
,
Nano Res.
14
,
1311
(
2021
).
16.
X.
Yu
,
P.
Yu
,
D.
Wu
,
B.
Singh
,
Q.
Zeng
,
H.
Lin
,
W.
Zhou
,
J.
Lin
,
K.
Suenaga
,
Z.
Liu
, and
Q. J.
Wang
,
Nat. Commun.
9
,
1545
(
2018
).
17.
E.
Torun
,
H.
Sahin
,
S.
Cahangirov
,
A.
Rubio
, and
F. M.
Peeters
,
J. Appl. Phys.
119
,
074307
(
2016
).
18.
Y.
An
,
A.
Shekhawat
,
A.
Behnam
,
E.
Pop
, and
A.
Ural
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
223104
(
2016
).
19.
X.
Zhang
,
B.
Liu
,
L.
Gao
,
H.
Yu
,
X.
Liu
,
J.
Du
,
J.
Xiao
,
Y.
Liu
,
L.
Gu
,
Q.
Liao
,
Z.
Kang
,
Z.
Zhang
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Commun.
12
,
1522
(
2021
).
20.
Z. X.
Zhang
,
Z.
Long-Hui
,
X. W.
Tong
,
Y.
Gao
,
C.
Xie
,
Y. H.
Tsang
,
L. B.
Luo
, and
Y. C.
Wu
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
1185
(
2018
).
21.
L. H.
Zeng
,
S. H.
Lin
,
Z. J.
Li
,
Z. X.
Zhang
,
T. F.
Zhang
,
C.
Xie
,
C. H.
Mak
,
Y.
Chai
,
S. P.
Lau
,
L. B.
Luo
, and
Y. H.
Tsang
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1705970
(
2018
).
22.
J.
Yuan
,
T.
Sun
,
Z.
Hu
,
W.
Yu
,
W.
Ma
,
K.
Zhang
,
B.
Sun
,
S. P.
Lau
,
Q.
Bao
,
S.
Lin
, and
S.
Li
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
40614
(
2018
).
23.
M.
Farmanbar
and
G.
Brocks
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1500405
(
2016
).
24.
J.
Shim
,
S. W.
Jang
,
J. H.
Lim
,
H.
Kim
,
D. H.
Kang
,
K. H.
Kim
,
S.
Seo
,
K.
Heo
,
C.
Shin
,
H. Y.
Yu
,
S.
Lee
,
D. H.
Ko
, and
J. H.
Park
,
Nanoscale
11
,
12871
(
2019
).
25.
F. C.
Salomão
,
E. M.
Lanzoni
,
C. A.
Costa
,
C.
Deneke
, and
E. B.
Barros
,
Langmuir
31
,
11339
(
2015
).
26.
A.
Misra
,
M.
Waikar
,
A.
Gour
,
H.
Kalita
,
M.
Khare
,
M.
Aslam
, and
A.
Kottantharayil
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
233506
(
2012
).
27.
S. M.
Song
,
J. K.
Park
,
O. J.
Sul
, and
B. J.
Cho
,
Nano Lett.
12
,
3887
(
2012
).
28.
S.
Paul
,
S.
Karak
,
M.
Mandal
,
A.
Ram
,
S.
Marik
,
R. P.
Singh
, and
S.
Saha
,
Phys. Rev. B
102
,
54103
(
2020
).
29.
B.
Huang
,
L.
Du
,
Q.
Yi
,
L.
Yang
,
J.
Li
,
L.
Miao
,
C.
Zhao
, and
S.
Wen
,
Opt. Express
27
,
2604
(
2019
).
30.
D.
Rhodes
,
D. A.
Chenet
,
B. E.
Janicek
,
C.
Nyby
,
Y.
Lin
,
W.
Jin
,
D.
Edelberg
,
E.
Mannebach
,
N.
Finney
,
A.
Antony
,
T.
Schiros
,
T.
Klarr
,
A.
Mazzoni
,
M.
Chin
,
Y. C.
Chiu
,
W.
Zheng
,
Q. R.
Zhang
,
F.
Ernst
,
J. I.
Dadap
,
X.
Tong
,
J.
Ma
,
R.
Lou
,
S.
Wang
,
T.
Qian
,
H.
Ding
,
R. M.
Osgood
,
D. W.
Paley
,
A. M.
Lindenberg
,
P. Y.
Huang
,
A. N.
Pasupathy
,
M.
Dubey
,
J.
Hone
, and
L.
Balicas
,
Nano Lett.
17
,
1616
(
2017
).
31.
Y. C.
Jiang
,
J.
Gao
, and
L.
Wang
,
Sci. Rep.
6
,
19624
(
2016
).
32.
E. H.
Nicollian
and
J. R.
Brews
,
MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology
(
Wiley
,
2002
).
33.
D. K.
Schroder
,
Semiconductor Material and Device Characterization
(
John Wiley & Sons
,
2015
).
34.
H. B.
Do
,
Q. H.
Luc
,
M. T. H.
Ha
,
S. H.
Huynh
,
T. A.
Nguyen
,
Y. C.
Lin
, and
E. Y.
Chang
,
AIP Adv.
7
,
085208
(
2017
).
35.
T.
Ushiki
,
IEEE Trans. Electron Devices
47
,
2201
(
2000
).
36.
A.
Misra
,
H.
Kalita
, and
A.
Kottantharayil
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
786
(
2014
).
37.
R. M.
Eastment
and
C. H. B.
Mee
,
J. Phys. F
3
,
1738
(
1973
).
38.
M.
Lenzlinger
and
E. H.
Snow
,
J. Appl. Phys.
40
,
278
(
1969
).
39.
J. C.
Ranuárez
,
M. J.
Deen
, and
C. H.
Chen
,
Microelectron. Reliab.
46
,
1939
(
2006
).
40.
R.
Williams
,
IEEE Trans. Electron Devices
12
,
503
(
1965
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.