Dlaczego 2-D? Pomiar właściwości elektronicznych zależnych od grubości

Anonim

Ograniczenie ruchu nośników ładunku (elektronów lub dziur) do dwóch wymiarów odblokowuje niezwykłe właściwości kwantowe, co daje użyteczne właściwości elektroniczne.

Chociaż odnosimy się do warstw w takich materiałach jak "2-D", nie są one ściśle dwuwymiarowe. Najważniejsze jest ograniczenie ruchu cząstki prostopadłego do płaszczyzny materiału w skali proporcjonalnej do długości fali de Broglie cząstki.

Zasadniczo oznacza to zakres od kilkuset nanometrów do kilku nanometrów.

Wiele można się nauczyć, obserwując dokładnie, na jaką grubość pojawiają się takie nowe efekty.

Badanie FLEET opublikowane w ubiegłym tygodniu w przeglądzie fizycznym B określa dokładny punkt przejścia w obiecującym ditellurku wolframu (WTe2).

Znalezione pomiary:

  • Cienkie warstwy WTe2 przechodzą z systemów elektronicznych 3D do 2D z grubością ~ 20 nm
  • nakładanie się pasm przewodzenia i walencyjnych zmniejsza się przy grubości poniżej ~ 12 nm, co oznacza, że ​​nawet cieńsze próbki mogą uzyskać pasmo wzbronione.

Badanie rozpoczęło się w ramach FLEET CI Xiaolin Wang na Uniwersytecie w Wollongong, gdzie dr Feixiang Xiang zapoznał się ze specjalną elektroniczną strukturą próbek WTe2, która prowadzi do bardzo dużego magnetooporu materiału (wcześniej opublikowanego).

Następnie Feixiang przygotował cienkie folie o różnej grubości odłupane z pojedynczego kryształu za pomocą mikro-eksfoliacji na podłożu.

Po zbadaniu cienkich warstw WTe2 w firmie UOW, Feixiang wykorzystał laboratoria UNSW do wytwarzania urządzeń z cienkowarstwowych próbek i wykonywania pomiarów transportowych przy użyciu ultramałych urządzeń do pomiaru temperatury i pola magnetycznego.

Znaczniki wyrównania, elektrody i podkładki łączące zostały wykonane metodą litografii E-beam.

Zależne od kąta pomiary kwantowej oscylacji przeprowadzono w bardzo wysokich polach magnetycznych w laboratorium FLEET CI Alexa Hamiltona na UNSW, pokazując, jak struktura pasma materiału zmieniła się wraz ze zmniejszaniem grubości, z crossoverem 3-D-2-D, gdy grubość próbki została zmniejszona poniżej 26 nm.

"To odkrycie było bardzo ważne", mówi Feixiang Xiang, który kierował badaniem zarówno w UOW, jak i UNSW, "ponieważ wyprowadza dwie krytyczne skale długości struktury elektronowej zależnej od grubości w cienkich filmach WTe2."

Analiza wykazała, że ​​obszar kieszeni Fermiego zmniejsza się w cieńszych próbkach, co sugeruje, że nakładanie się pasma przewodnictwa i pasma wartościowości zmniejsza się. To nie tylko tłumaczy zmierzony spadek gęstości nośnika w cieńszej próbce, ale sugeruje, że można otworzyć szczelinę taśmową i zrealizować izolację topologiczną 2-D w nawet cienkich próbkach, zgodnie z przewidywaniami teorii i zaobserwować w pokrewnych związkach. (MoS2 i MoTe2).

Ditellurid wolframu (WTe2) to warstwowy dichalkoogenid metalu przejściowego o kilku obiecujących właściwościach:

  • wyjątkowo duży magnetoopór, z możliwością wykorzystania w czujnikach magnetycznych
  • większość WTe2 jest przewidywana jako semimetr Weyla typu II
  • monowarstwy WTe2 to wysokotemperaturowy izolator topologiczny, nadprzewodnik i ferroelektryczny.

Dichalkogenidy metalu przejściowego (TMD) są klasą materiałów van der Waalsa, zawierających wiele atomowo cienkich warstw atomowych związanych słabymi siłami międzycząsteczkowymi.

Odwołujemy się do TMD jako "2-D" z powodu tej warstwowej struktury krystalicznej.

Ograniczenie ruchu nośników ładunku do dwóch wymiarów powoduje bardzo różne właściwości elektronowe w porównaniu z 3-D "masowymi" materiałami, co również sugeruje, że więcej, różne właściwości fizyczne mogą wystąpić przy granicy monowarstw - punkt przejścia od 3-D do 2 -RE.

Badanie Gęstościowa struktura elektronowa w cienkich warstwach WTe2 została opublikowana w lipcu 2018 r. W Physical Review B czasopisma American Physical Society.

menu
menu