[論文レビュー] Exceptional electronic transport and quantum oscillations in thin bismuth crystals grown inside van der Waals materials

Laisi Chen, Amy X. Wu+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 55被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、六方窒化ホウ素（hBN）層内に超平坦で10 nm未塔のビスマス結晶を成長させるためのファンデルワールス（vdW）成形技術を導入し、強い量子閉じ込め効果を生じさせることで、ラシュバ表面状態を分離した。この手法により優れた電子輸送特性が得られ、(111)表面状態のランドー準位からの未観測のシュビニコフ＝ド・ヘース量子振動および、ゲートで調整可能なランドー準位分裂を示す多キャリア振動が観測された。

ABSTRACT

Confining materials to two-dimensional forms changes the behavior of electrons and enables new devices. However, most materials are challenging to produce as uniform thin crystals. Here, we present a new synthesis approach where crystals are grown in a nanoscale mold defined by atomically-flat van der Waals (vdW) materials. By heating and compressing bismuth in a vdW mold made of hexagonal boron nitride (hBN), we grow ultraflat bismuth crystals less than 10 nanometers thick. Due to quantum confinement, the bismuth bulk states are gapped, isolating intrinsic Rashba surface states for transport studies. The vdW-molded bismuth shows exceptional electronic transport, enabling the observation of Shubnikov-de Haas quantum oscillations originating from the (111) surface state Landau levels, which have eluded previous studies. By measuring the gate-dependent magnetoresistance, we observe multi-carrier quantum oscillations and Landau level splitting, with features originating from both the top and bottom surfaces. Our vdW-mold growth technique establishes a platform for electronic studies and control of bismuth's Rashba surface states and topological boundary modes. Beyond bismuth, the vdW-molding approach provides a low-cost way to synthesize ultrathin crystals and directly integrate them into a vdW heterostructure.

研究の動機と目的

• 均一で超薄膜のビスマス結晶を制御された厚さで合成するためのスケーラブルな手法を開発すること。
• 量子閉じこめによるバルク伝導の抑制により、ビスマスの固有のラシュバ表面状態を分離し、それをプローブすること。
• 2次元ビスマスにおける高分解能電子輸送測定を可能にし、表面状態からの量子振動を観測すること。
• 超薄膜ビスマスを直接van der Waalsヘテロ構造に統合し、将来の2次元電子デバイスに応用可能であることを示すこと。

提案手法

• 原子的に平坦な六方窒化ホウ素（hBN）層を用いてナノスケールの型を形成し、ビスマスの成長を制限する。
• ビスマスをhBNの積層構造内ですばやく加熱・高圧圧縮することで、超平坦で10 nm未塔の結晶を形成する。
• 2次元幾何学的形状に起因する量子閉じこめ効果により、バルク状態にバンドギャップが生じ、ラシュバ表面状態がバルク伝導から分離される。
• ゲート電圧依存の磁気抵抗測定を実施し、ランドー準位の量子化および多キャリア挙動を調べる。
• 高分解能透過型電子顕微鏡およびX線回折により、結晶構造および厚さを確認する。
• vdW型の型を用いたヘテロ構造により、上部および下部の電極を介して表面状態への直接的な電気的アクセスが可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 van der Waals材料をナノスケールの型として用いることで、超薄膜で均一なビスマス結晶を成長させることができるか？
• RQ2 2次元ビスマスにおける量子閉じこめ効果がバルク伝導を抑制し、ラシュバ表面状態を分離することができるか？
• RQ3 (111)表面状態のランドー準位からのシュビニコフ＝ド・ヘース量子振動を実験的に観測できるか？
• RQ4 ゲート電圧および磁場が2次元ビスマスにおけるランドー準位分裂および多キャリア輸送にどのように影響するか？
• RQ5 このvdW成形法は、他の材料に対しても一般化可能であり、2次元ヘテロ構造統合に応用可能か？

主な発見

• hBN内にvdW成形法を用いて、10 nm未塔の超薄膜ビスマス結晶を成功裏に成長させた。
• 量子閉じこめ効果によりバルク状態にバンドギャップが生じ、ラシュバ表面状態がバルク伝導から分離された。
• (111)表面状態のランドー準位からのシュビニコフ＝ド・ヘース量子振動が、初めて実験的に観測された。
• ゲート電圧依存の磁気抵抗測定により、上部および下部の表面から特徴的な異なる多キャリア量子振動が観測された。
• ランドー準位分裂が解像され、強いスピン軌道結合および表面状態の異方性が示された。
• vdW成形法により、超薄膜ビスマスをvan der Waalsヘテロ構造に直接統合し、電子的特性の研究が可能となった。