Hvorfor 2-D? Måling af tykkelsesafhængige elektroniske egenskaber

At begrænse bevægelsen af ​​ladningsbærere (elektroner eller huller) til to dimensioner låser usædvanlige kvanteegenskaber op, hvilket resulterer i nyttige elektroniske egenskaber.

Selvom vi refererer til lagene i sådanne materialer som '2-D', de er ikke strengt todimensionale. Hvad er nøglen er begrænsningen af ​​en partikels bevægelse vinkelret på materialets plan en skala, der er proportional med de Broglie -bølgelængden af ​​partiklen.

I det væsentlige, dette betyder området fra et par hundrede nanometer ned til et par nanometer.

Meget kan læres ved at observere præcist i hvilken tykkelse sådanne nye effekter dukker op.

En FLEET -undersøgelse offentliggjort i sidste uge i Fysisk gennemgang B kvantificerer det præcise overgangspunkt i det lovende materiale wolfram ditellurid (WTe2).

Fundne målinger:

• WTe2 tynde film krydser fra 3-D til 2-D elektroniske systemer med en tykkelse på ~ 20 nm
• overlapning mellem lednings- og valensbånd falder ved tykkelse under ~ 12 nm, hvilket indebærer, at endnu tyndere prøver kan opnå en bandgap.

Undersøgelsen begyndte under FLEET CI Xiaolin Wang ved University of Wollongong, med FLEET Research Fellow Dr. Feixiang Xiang studerede først den særlige elektroniske struktur af bulk WTe2 -prøver, der fører til materialets meget store magnetoresistens (tidligere offentliggjort).

Feixiang fremstillede derefter tynde film af forskellig tykkelse spaltet fra en enkelt krystal ved hjælp af mikro-eksfoliering på et substrat.

Efter undersøgelse af WTe2 tynde film på UOW, Feixiang brugte UNSW-laboratorier til at fremstille enhederne fra tyndfilmprøver og udføre transportmålinger ved hjælp af ultralave temperatur- og høje magnetfeltmålefaciliteter.

Justeringsmarkører, elektroder, og bindingspuder blev fremstillet ved E-stråle litografi.

Vinkelafhængige kvantesvingningsmålinger blev udført i meget høje magnetfelter på FLEET CI Alex Hamiltons laboratorium ved UNSW, afslører, hvordan materialets båndstruktur ændrede sig med faldende tykkelse, med en 3D-crossover, når prøvetykkelsen blev reduceret til under 26 nm.

"Dette fund var meget vigtigt, "siger Feixiang Xiang, der ledede undersøgelsen på både UOW og UNSW, "fordi den nedfælder to skalaer af kritisk længde af den tykkelsesafhængige elektroniske struktur i WTe2 tynde film."

Analyse viste, at arealet af Fermi -lommer falder i tyndere prøver, hvilket tyder på, at overlapningen mellem ledningsbåndet og valensbåndet bliver mindre. Dette forklarer ikke kun det målte fald i bæreevnen i en tyndere prøve, det tyder på, at det er muligt at åbne et båndgab og realisere den 2-D topologiske isolator i selv tynde prøver, som teorien har forudsagt, og observeret i beslægtede forbindelser (MoS2 og MoTe2).

Wolfram ditellurid (WTe2) er et lagdelt, overgangsmetal dichalcogenid med flere lovende egenskaber:

• ekstremt stor magnetoresistens, med potentiale til brug i magnetiske sensorer
• bulk WTe2 forudsagt at være et type-II Weyl-halvmetal
• monolag WTe2 er en topologisk topologisk isolator, en superleder, og en ferroelektrisk.

Transition metal dichalcogenides (TMDs) er en klasse af van der Waals materialer, omfattende mange atomtynde atomlag bundet af svage intermolekylære kræfter.

Vi omtaler TMD'er som '2-D' på grund af denne lagdelte krystalstruktur.

Begrænsning af ladningsbæreres bevægelse til to dimensioner resulterer i meget forskellige elektroniske egenskaber sammenlignet med 3-D 'bulk' materialer, hvilket også tyder på, at flere, forskellige fysiske egenskaber kan ske ved monolagsgrænsen-overgangspunktet fra 3-D til 2-D.

Undersøgelsen Tykkelsesafhængig elektronisk struktur i WTe2 tynde film blev offentliggjort i American Physical Society's journal Physical Review B i juli 2018.