[論文レビュー] Engineering bandgaps of monolayer MoS2 and WS2 on fluoropolymer substrates by electrostatically tuned many-body effects

Bo Liu, Weijie Zhao+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、強力な多体効果を示すCYTOPフロロポリマー基板上での単層MoS2およびWS2の静電的バンドギャップチューニングを実証し、不純物ドーピングを抑制するとともに励起子応答を強化した。バックゲートを適用することで、バンドギャップ再正規化、パウリ遮断、キャリアスクリーニングが観察され、2次元遷移金属ジ chalcogenides の電子的および光学的性質を精密に制御可能であることを示した。

ABSTRACT

Intrinsic electrical and excitonic properties of monolayer transition metal dichalcogenides are studied on CYTOP fluoropolymer substrates with greatly suppressed unintentional doping and dielectric screening. Ambipolar transport behavior is observed in monolayer WS2 by applying solid states backdates. The excitonic properties of monolayer MoS2 and WS2 are determined by intricate interplays between the bandage renormalization, Pauli blocking and carrier screening against carrier doping.

研究の動機と目的

• 不純物ドーピングを最小限に抑えたCYTOPフロロポリマー基板上における単層MoS2およびWS2の内在的電気的および励起子的性質の調査。
• 静電的ゲーティング下における2次元遷移金属ジ chalcogenides におけるバンドギャップ再正規化、パウリ遮断、キャリアスクリーニングの相乗的相互作用の理解。
• 誘電体スクリーニング効果を最小限に抑えるとともに、静電的制御によるチューナブルなバンドギャップモードの実現。
• 固体状態バックゲーティングを用いた単層WS2におけるアンビポーラ輸送の実証により、高品質・低ドーピングなサンプルであることを示す。
• 励起子的応答が強化された2次元半導体における多体効果を研究するためのプラットフォームの構築。

提案手法

• 単層MoS2およびWS2における不純物ドーピングの抑制と誘電体スクリーニングの低減を目的として、CYTOPフロロポリマー基板の利用。
• キャリア密度の静電的チューニングとバンドギャップ特性のモード制御を目的として、固体状態バックゲーティングの適用。
• 低ドーピングレベルと高いキャリア移動度を確認するため、アンビポーラ輸送測定の実施。
• 光学的および電気的特性の定量的分析を通じて、バンドギャップ再正規化、パウリ遮断、キャリアスクリーニング効果の評価。
• 高精度な分光および輸送測定技術を用いて、電子構造に寄与する多体寄与を解離する。
• MoS2およびWS2の系統的比較により、基板および静電的チューニング効果が励起子的挙動に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フロロポリマー基板（CYTOP）の選択が、単層MoS2およびWS2の内在的電子的および励起子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 静電的バックゲーティングにより、多体効果を介して単層MoS2およびWS2のバンドギャップをどの程度チューニングできるか？
• RQ3 観察されたバンドギャップモードに寄与するバンドギャップ再正規化、パウリ遮断、キャリアスクリーニングの相対的寄与は何か？
• RQ4 CYTOP上に形成された単層WS2でアンビポーラ輸送を達成できるか？また、それはキャリアドーピングレベルに何を示唆するか？
• RQ5 誘電体スクリーニングおよび基板相互作用は、2次元遷移金属ジ chalcogenides における励起子状態の安定性およびチューナビリティにどのように影響を与えるか？

主な発見

• CYTOP基板上に形成された単層WS2は明確なアンビポーラ輸送を示し、不純物ドーピングが低く、材料品質が高いことを示している。
• 静電的ゲーティング下でMoS2およびWS2の両方において顕著なバンドギャップ再正規化が観察され、多体効果がその原因である。
• パウリ遮断およびキャリアスクリーニングが、バンド端エネルギーおよび励起子応答を制御する主要なメカニズムであると特定された。
• 低誘電率のCYTOP基板と静電的チューニングの組み合わせにより、スクリーニング効果が強く抑制され、励起子特徴が強化された。
• ゲート電圧の変化に伴いバンドギャップエネルギーに測定可能なシフトが観察され、光学的および電子的応答のチューナビリティが実証された。
• 結果として、特にスクリーニングおよび再正規化を含む多体効果が、2次元半導体において静電的制御によって設計可能であることが確認された。