[論文レビュー] Multi-terminal electrical transport measurements of molybdenum disulphide using van der Waals heterostructure device platform

Xu Cui, Gwan‐Hyoung Lee+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

2D Materials and Applications参考文献 51被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、六方窒化ホウ素（hBN）によるカプセル化とゲート可変性を持つグラフェン接触を用いたヴァン・デル・ワールスヘテロ構造デバイスプラットフォームを開発し、少数層モリブデンディチリド（MoS2）における高移動度でマルチターミナル電気的輸送測定を実現した。このプラットフォームは、低温下で6層MoS2において記録的なホール移動度34,000 cm²/Vsを達成し、先行研究において主な制限要因であった外部スキャッタリング—主に荷電不純物由来—が、内部欠険ではなく主な要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

Atomically thin two-dimensional (2D) semiconductors such as molybdenum disulphide (MoS2) hold great promise in electrical, optical, and mechanical devices and display novel physical phenomena such as coupled spin-valley physics and the valley Hall effect. However, the electron mobility of mono- and few-layer MoS2 has so far been substantially below theoretically predicted limits, particularly at low temperature (T), which has hampered efforts to observe its intrinsic quantum transport behaviors. Potential sources of disorder and scattering include both defects such as sulfur vacancies in the MoS2 itself, and extrinsic sources such as charged impurities and remote optical phonons from oxide dielectrics. To reduce extrinsic scattering and approach the intrinsic limit, we developed a van der Waals (vdW) heterostructure device platform where MoS2 layers are fully encapsulated within hexagonal boron nitride (hBN), and electrically contacted in a multi-terminal geometry using gate-tunable graphene electrodes. Multi-terminal magneto-transport measurements show dramatic improvements in performance, including a record-high Hall mobility reaching 34,000 cm2/Vs for 6-layer MoS2 at low T. Comparison to theory shows a decrease of 1-2 orders of magnitude in the density of charged impurities, indicating that performance at low T in previous studies was limited by extrinsic factors rather than defects in the MoS2. We also observed Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations for the first time in high-mobility monolayer and few-layer MoS2. This novel device platform therefore opens up a new way toward measurements of intrinsic properties and the study of quantum transport phenomena in 2D semiconducting materials.

研究の動機と目的

• 低温下における少数層MoS2の電子移動度を制限する外部スキャッタリング要因を克服すること。
• 内在的輸送特性の研究に適した、誘電体および接触由来の秩序の最小化を実現するデバイスプラットフォームの開発。
• 高品質な2次元半導体（MoS2など）におけるマルチターミナル磁気輸送測定を可能にすること。
• 先行MoS2研究における移動度抑制の主な原因—欠陥か外部不純物か—を特定すること。
• モノレイヤーおよび少数層MoS2における、シュビニコフ＝ド・ハース振動を含む内在的量子輸送現象の観測。

提案手法

• 誘電体および表面スキャッタリングを最小限に抑えるために、MoS2フラクチュを2枚の六方窒化ホウ素（hBN）層でカプセル化し、ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造を形成した。
• マルチターミナル電気的輸送測定を可能にするゲート可変性を持つグラフェン電極を用いた。
• ホール移動度および縦抵抗を高精度で測定するために、マルチターミナルホールバー構造を採用した。
• 低温（4.2 K）下での磁気輸送測定を実施し、量子輸送現象を調査した。
• MoS2を環境的および基板由来の秩序（荷電不純物やリモート光子モードなど）から分離するようにデバイスプラットフォームを設計した。
• 理論的モデリングを用いて測定された移動度と不純物密度を予測値と比較し、スキャッタリングの外部的起源を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温下における少数層MoS2の電子移動度を制限する要因は、MoS2格子内の欠陥か、環境および誘電体由来の外部不純物か？
• RQ2 hBNカプセル化とグラフェン接触を有するヴァン・デル・ワールスヘテロ構造プラットフォームは、MoS2の電気的輸送特性を顕著に改善できるか？
• RQ3 最適化されたデバイス条件下で、シュビニコフ＝ド・ハース振動を含む内在的量子輸送現象が高移動度MoS2で観測可能か？
• RQ4 誘電環境内の荷電不純子が、先行MoS2デバイスにおける移動度抑制にどの程度寄与しているか？
• RQ5 観測された移動度の向上は、理論モデルとの比較によって確認されたように、外部スキャッタリングの低減に起因するか？

主な発見

• 4.2 K下で6層MoS2において記録的なホール移動度34,000 cm²/Vsを達成し、以前の報告を著しく上回った。
• 高移動度モノレイヤーおよび少数層MoS2において、初めてシュビニコフ＝ド・ハース振動が観測され、ランダウ準位の量子化が確認された。
• 測定された移動度の向上は、荷電不純子密度が1〜2桁減少したことに対応しており、外部スキャッタリングが主な移動度制限要因であることを示唆した。
• 理論的分析により、外部要因—特に荷電不純子—が、初期のMoS2デバイスにおける移動度抑制の主な原因であることが確認された。
• ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造プラットフォームは、外部スキャッタリングを効果的に低減し、2次元半導体の内在的輸送特性に到達可能にした。
• 結果から、高品質な2次元材料はカプセル化および最小限の秩序を有する接触を施すことで、理論的移動度限界に近い性能を達成可能であることが示された。