[論文レビュー] Extraordinary high room-temperature carrier mobility in graphene-WSe$_2$ heterostructures

Luca Banszerus, Thibault Sohier+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Graphene research and applications参考文献 28被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、グラフェン-WSe₂-hBN ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造が、室温でのキャリア移動度を最大350,000 cm²/(V·s)まで達成することを示した。これは、最新のグラフェン/hBNデバイスを3倍以上上回る。この向上は、グラフェン-WSe₂界面における音響フォノンバンドの変更に起因し、従来の電子-フォノン散乱モデルに疑問を呈し、予期しない層間結合効果を明らかにした。

ABSTRACT

High carrier mobilities play a fundamental role for high-frequency electronics, integrated optoelectronics as well as for sensor and spintronic applications, where device performance is directly linked to the magnitude of the carrier mobility. Van der Waals heterostructures formed by graphene and hexagonal boron nitride (hBN) already outperform all known materials in terms of room temperature mobility. Here, we show that the mobility of today's best graphene/hBN devices can be surpassed by more than a factor of three by heterostructures formed by tungsten diselenide (WSe$_2$), graphene and hBN, which can have mobilities as high as 350,000 cm$^2$/(Vs) at room temperature, and resistivities as low as 15 Ohm. The resistivity of these devices shows a much weaker temperature dependence than the one of graphene on any other known substrate. The origin of this behaviour points to modified acoustic phonon bands in graphene and questions our understanding of electron-phonon scattering in van der Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• グラフェンベースのヘテロ構造における室温キャリア移動度の理論的上限を克服すること。
• 2次元ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造における電子輸送の向上に寄与する界面フォノン工学の役割を調査すること。
• WSe₂を含むグラフェンヘテロ構造が、電子-フォノン散乱行動に顕著な変化を引き起こすかどうかを特定すること。
• WSe₂/Gr/hBNデバイスに見られる予想外の高い移動度および低い抵抗率の起源を解明すること。
• 2次元材料における層間結合がフォノン分散および電子輸送に与える影響を評価すること。

提案手法

• CVD法で成長させたグラフェンと剥離法で得たhBNおよびWSe₂フラケットを、バックゲート付きホールバー構造のSiO₂/Si基板上に乾式転写法を用いてWSe₂/Gr/hBNヘテロ構造を作製した。
• グラフェンとWSe₂間の界面が清浄であるかを確認し、層間隔（約5.3 Å）を測定するために、断面走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いた。
• 78 Hzのロックイン技術を用いて、低温（2–300 K）での4端子測定を実施し、縦方向およびホール抵抗率を抽出した。
• デュアルゲートデバイスD1におけるキャリア密度および静電的結合を独立して決定するために、ホール効果および量子ホール効果測定を実施した。
• 移動度および残余導電率を抽出するために、|n| = 1×10¹¹ から 1×10¹² cm⁻² の範囲で、σ = neμ + σ₀ のフィッティングを実施した。
• フォノンバンドの変更および電子-フォノン結合を評価するために、ab-initio計算および理論的解析を実施した。特に、グラフェン-WSe₂界面に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WSe₂を含むグラフェンヘテロ構造は、純粋なグラフェンにおける電子-フォノン散乱によって設定される理論的移動度上限を超えることができるか？
• RQ2 WSe₂/Gr/hBNヘテロ構造が、従来のhBN安定化グラフェンデバイスと比較して、なぜ高い室温キャリア移動度を示すのか？
• RQ3 グラフェンとWSe₂間の界面結合が、2次元ヘテロ構造におけるフォノン分散および電子-フォノン散乱にどのように影響を与えるか？
• RQ4 WSe₂層が導電にどの程度寄与しているか、またバックゲートまたはトップゲートによって静電的にチューニング可能か？
• RQ5 なぜWSe₂/Gr/hBNデバイスの抵抗率は、他の基板と比較して異常に弱い温度依存性を示すのか？

主な発見

• WSe₂/Gr/hBNヘテロ構造は、記録的な室温キャリア移動度350,000 cm²/(V·s)を達成し、従来のグラフェン/hBNデバイスのベンチマークを3倍以上上回った。
• デバイスの抵抗率は15 Ωまで低下し、既知のいかなる基板上でも観察されたものよりも温度依存性が著しく弱かった。
• WSe₂/Gr/hBNデバイスの縦方向導電度は、電子ドーピングおよびホールドーピングの両領域でほぼ線形な挙動を示したが、参照用のhBN/Gr/hBNデバイスでは飽和が観察されたのとは対照的であった。
• デバイスD1の残余導電率（σ₀）は18 e²/hであり、極めて高い移動度にもかかわらず、不純物や不純物の影響が小さい、高品質な界面を示した。
• 理論的解析により、グラフェン-WSe₂界面における音響フォノンバンドの変更が示唆された。これは、せん断モード結合に起因する可能性があるが、ab-initio計算では必要なフォノンの軟化（ωΓ ~ 50–180 cm⁻¹）を再現できなかった。
• これらの結果は、2次元ヘテロ構造における電子-フォノン散乱の従来の理解を揺るがし、予期しない層間機械的結合効果が存在することを示唆している。