Triagem de alto desempenho de propriedades de interface em heteroestruturas de van der Waals entre eletrenos e semicondutores

Abstract

RESUMO: A miniaturização contínua de dispositivos eletrônicos exige interfaces metal-semicondutor bidimensionais com baixa resistência de contato, e os eletrenos surgem como candidatos promissores devido à ultrabaixa função trabalho e à elevada mobilidade eletrônica. Esta dissertação teve como objetivo implementar e validar uma rotina automatizada de triagem para identificar semicondutores 2D capazes de formar contatos eficientes com os eletrenos Sc2C, Y2C e Ca2N. Para isso, a metodologia integrou informática de materiais e cálculos de primeiros princípios por meio do software 2D Material-Metal Contact Analyzer, combinando dados do banco C2DB com filtros sequenciais de estabilidade termodinâmica, estabilidade dinâmica e compatibilidade de rede; em seguida, foram realizados cálculos de DFT (Density Functional Theory) para determinar alinhamento de bandas, tipo de contato e energia de ligação interfacial. A triagem identificou centenas de candidatos e indicou predominância de contatos Schottky, especialmente do tipo-n, enquanto os cálculos de DFT confirmaram interfaces dinamicamente estáveis e revelaram regimes distintos de acoplamento, desde interações predominantemente de van derWaals, como em MgBr2/Ca2N, até casos com transferência de carga significativa e caráter parcialmente químico, como em SnSe2/Ca2N. Assim, conclui-se que o fluxo proposto é escalável e eficaz para reduzir o espaço combinatório de heteroestruturas 2D e fornecer critérios quantitativos para o design racional de eletrodos e contatos em dispositivos nanoeletrônicos e optoeletrônicos

ABSTRACT: The continuous miniaturization of electronic devices requires two-dimensional metal- semiconductor interfaces with low contact resistance, and electrides emerge as promising candidates due to their ultra-low work function and high electronic mobility. This dissertation aimed to implement and validate an automated screening workflow to identify 2D semiconductors capable of forming efficient contacts with Sc2C, Y2C, and Ca2N electrides. To this end, the methodology integrated materials informatics and first-principles calculations through the 2D Material-Metal Contact Analyzer software, combining C2DB database information with sequential filters of thermodynamic stability, dynamic stability, and lattice compatibility; DFT calculations were then performed to determine band alignment, contact type, and interfacial binding energy. The screening identified hundreds of candidates and indicated a predominance of Schottky contacts, especially of n-type, while DFT calculations confirmed dynamically stable interfaces and revealed distinct coupling regimes, ranging from predominantly van der Waals interactions, as in MgBr2/Ca2N, to cases with significant charge transfer and partially chemical character, as in SnSe2/Ca2N. These results show that the proposed workflow is scalable and effective in reducing the combinatorial space of 2D heterostructures and in providing quantitative criteria for the rational design of electrodes and contacts in nanoelectronic and optoelectronic devices