[論文レビュー] Electron-Doping Induced Semiconductor to Metal Transitions in ZrSe2 Layers via Copper Atomic Intercalation

Zahir Muhammad, Kejun Mu+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

2D Materials and Applications参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、銅原子のインターカレーションによってモノレイヤーZrSe2における制御された半導体-金属遷移を実証した。電子ドーピングがバンドギャップを閉じる。角度分解光電子分光法（ARPES）およびDFT計算により、ブリユアンゾーンのM/L点における伝導帯分散が確認された。場効果トランジスタでは、n型半導体的輸送から金属的輸送特性へのシフトが観察され、ナノエレクトロニクス用途に向けたチューナブルな2次元電子系の実現が可能となった。

ABSTRACT

Atomic intercalation in two dimensional (2D) layered materials can engineer the electronic structure at the atomic scale, bringing out tunable physical and chemical properties which are quite distinct in comparison with pristine one. Among them, electron-doped engineering induced by intercalation is an efficient route to modulate electronic states in 2D layers. Herein, we demonstrate a semiconducting to the metallic phase transition in zirconium diselenide (ZrSe2) single crystal via controllable incorporation of copper (Cu) atoms. Combined with first-principles density functional theory (DFT) calculations, our angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) characterizations clearly revealed the emergence of conduction band dispersion at M/L point of Brillouin zone due to Cu-induced electron doping in ZrSe2 interlayers. Moreover, the field-effect transistor (FET) fabricated on ZrSe2 displayed a n-type semiconducting transport behavior, while the Cu-intercalated ZrSe2 posed linear Ids vs Vds curves with metallic character shows n-type doping. The atomic intercalation approach has high potential for realizing transparent electron-doping systems for many specific 2D-based nano-electronics.

研究の動機と目的

• 原子インターカレーションを用いて2次元ZrSe2におけるチューナブルな電子的相転移を達成すること。
• 制御されたCuインターカレーションを用いてZrSe2の電子構造への電子ドーピング効果を調査すること。
• ZrSe2膜における半導体的から金属的特性への遷移を実証すること。
• 将来のナノエレクトロニクスデバイス向けに、透明でスケーラブルな電子ドーピング手法を確立すること。

提案手法

• ZrSe2層への銅（Cu）原子の原子インターカレーションによる電子ドーピング誘導。
• 電子バンド構造の進化を調べるための角度分解光電子分光法（ARPES）の使用。
• インターカレーション効果をモデル化・検証するための第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 電気的輸送特性を測定するためのZrSe2上への場効果トランジスタ（FET）の作製。
• 純粋なZrSe2とCuインターカレーションされたZrSe2のI_DS対V_DS特性を比較し、金属的挙動を同定。
• ブリユアンゾーンにおけるM/L点でのバンド分散の体系的分析により、金属的遷移を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅のインターカレーションはZrSe2の電子バンド構造をどのように変化させるか？
• RQ2 CuドーピングされたZrSe2における半導体-金属遷移の性質は何か？
• RQ3 Cuインターカレーションによる電子ドーピングが、ZrSe2のバンドギャップをどの程度縮小させるか？
• RQ4 ARPESおよび電気的輸送測定によって金属的相が実験的に確認可能か？
• RQ5 インターカレーション誘発の電子ドーピングが、フェルミ面および伝導帯分散をどのように変化させるか？

主な発見

• ARPES測定により、CuインターカレーションされたZrSe2において、ブリユアンゾーンのM/L点に伝導帯分散が出現し、金属的状態が示された。
• DFT計算により、Cuインターカレーションが電子ドーピングを引き起こし、バンドギャップを縮小し、金属的挙動を安定化することが確認された。
• 純粋なZrSe2上に作製された場効果トランジスタはn型半導体的輸送を示したが、Cuインターカレーションされたデバイスでは直線的I_DS対V_DS曲線が観察され、金属的伝導の特徴的挙動であった。
• 半導体的から金属的特性への遷移は、ZrSe2層間へのCu原子のインターカレーションに起因する電子ドーピングと直接関連していた。
• インターカレーションプロセスにより、原子スケールでの電子的性質のエンジニアリングが可能となり、透明でチューナブルな2次元電子系への道筋が開かれた。
• 観察された金属的挙動は、複数の特性評価手法で一貫しており、強固な電子的相転移であることが確認された。