[論文レビュー] Heterointerface effects in the electro-intercalation of van der Waals heterostructures

D. Kwabena Bediako, Mehdi Rezaee+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Graphene research and applications参考文献 28被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、グラフェンとジモリブデンジ chalcogenide (MoX2) の間のヘテロインターフェース—特にvan der Waals (vdW) ハイブリッド構造において—、ホモインターフェースと比較して電気的インターリング中、10倍以上の高い電荷蓄積が可能であることを示している。また、バルクMoX2と比較して、インターリングの起電力は少なくとも0.5 V以上負にシフトしている。操作中磁気抵抗、光学分光法、低温量子振動の組み合わせを用いて、研究者たちは原子スケールのインターフェースレベルでのインターリングを解明し、2次元材料におけるイオン的および電子的挙動をエネルギー貯蔵および(光)エレクトロニクス用途に調整するためのインターフェース工学の強力な有効性を明らかにした。

ABSTRACT

Molecular-scale manipulation of electronic/ionic charge accumulation in materials is a preeminent challenge, particularly in electrochemical energy storage. Layered van der Waals (vdW) crystals exemplify a diverse family of materials that permit ions to reversibly associate with a host atomic lattice by intercalation into interlamellar gaps. Motivated principally by the search for high-capacity battery anodes, ion intercalation in composite materials is a subject of intense study. Yet the precise role and ability of heterolayers to modify intercalation reactions remains elusive. Previous studies of vdW hybrids represented ensemble measurements at macroscopic films/powders, which do not permit the isolation and investigation of the chemistry at individual 2-dimensional (2D) interfaces. Here, we demonstrate the intercalation of lithium at the level of individual atomic interfaces of dissimilar vdW layers. Electrochemical devices based on vdW heterostructures comprised of deterministically stacked hexagonal boron nitride, graphene (G) and molybdenum dichalcogenide (MoX2; X = S, Se) layers are fabricated, enabling the direct resolution of intermediate stages in the intercalation of discrete heterointerfaces and the extent of charge transfer to individual layers. Operando magnetoresistance and optical spectroscopy coupled with low-temperature quantum magneto-oscillation measurements show that the creation of intimate vdW heterointerfaces between G and MoX2 engenders over 10-fold accumulation of charge in MoX2 compared to MoX2/MoX2 homointerfaces, while enforcing a more negative intercalation potential than that of bulk MoX2 by at least 0.5 V. Beyond energy storage, our new combined experimental and computational methodology to manipulate and characterize the electrochemical behavior of layered systems opens up new pathways to control the charge density in 2D (opto)electronic devices.

研究の動機と目的

• 異なる2次元van der Waals材料間のヘテロインターフェースが電気的インターリング挙動に与える影響を調査すること。
• 集団的平均化された測定の限界を克服し、個々の原子的インターフェースでのインターリング過程を分離・特徴づけること。
• グラフェンとMoX2 (X = S, Se) 間のインターフェース工学が、電荷移動およびインターリング起電力に与える影響を特定すること。
• 2次元ハイブリッド構造における電気化学的挙動をプローブおよび制御するための統合的実験的手法と計算モデルを構築すること。

提案手法

• 機械的剥離法を用いて得た六方晶窒化ホウ素、グラフェン、MoX2 の層を用いた、決定論的なvdWハイブリッド構造の作製。
• 電気的インターリング中のリアルタイムな電荷蓄積および電子的応答をモニタリングするため、操作中磁気抵抗および光学分光法の適用。
• 低温量子磁気振動測定を用いて、界面におけるキャリア密度および移動度の変化を抽出。
• 同一条件下でのヘテロインターフェース (G/MoX2) とホモインターフェース (MoX2/MoX2) 間の電気的挙動を比較。
• 界面での電荷移動およびイオン挿入のエネルギー的側面を実験的観察に裏付け、解釈するための計算モデルの適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンとMoX2 間のヘテロインターフェースの形成が、MoX2 におけるリチウムのインターリングおよび電荷蓄積の程度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 G/MoX2 ヘテロインターフェースにおけるインターリング起電力は、バルクMoX2 や MoX2/MoX2 ホモインターフェースと比較してどの程度シフトするか？
• RQ3 原子スケールでのインターフェース工学は、2次元van der Waalsハイブリッド構造におけるイオン的および電子的輸送をどの程度制御可能か？
• RQ4 電気的インターリング中、ヘテロインターフェースとホモインターフェースにおける量子振動および磁気抵抗応答にどのような差が生じるか？

主な発見

• 同一電気的条件下で、G/MoX2 ヘテロインターフェースは MoX2/MoX2 ホモインターフェースと比較して、MoX2 における電荷蓄積が10倍以上に増加している。
• G/MoX2 ヘテロインターフェースにおけるインターリング起電力は、バルクMoX2 と比較して少なくとも0.5 V以上負にシフトしており、イオン挿入の熱力学的駆動力が強化されていることを示している。
• 操作中磁気抵抗および量子振動測定により、ヘテロインターフェースでのインターリングに伴い、MoX2 におけるキャリア密度および移動度が顕著に増加することが確認された。
• 光学分光法により、G/MoX2 インターフェース固有の明確な電子遷移および電荷移動ダイナミクスが観察され、強い界面結合が示唆された。
• 実験的および計算的フレームワークにより、個々の2次元界面における電気的インターリング過程の中間段階を、直接的かつ原子スケールで解明可能となった。