[論文レビュー] Strain Switching in van der Waals Heterostructures triggered by a Spin-Crossover Metal Organic Framework

Carla Boix‐Constant, Víctor García‐López+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

2D Materials and Applications参考文献 43被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、分子的ストレイン源としてスピンクロスオーバー金属有機フレームワーク（SCO-MOF）を統合することで、ファンデルワールスヘテロ構造（vdWHs）における決定的ストレインスイッチングを実証した。SCO-MOF {Fe-(3-Clpyridine)2-[PtII(CN)4]} は熱サイクリングに伴い8%の体積変化を示し、グラフェンやWSe2などの隣接2次元材料に可逆的ストレインを引き起こし、抵抗率および光励起発光に明確なヒステリシスを示す電子的・オプトエレクトロニクス的性質の変化を誘発した。これにより、2次元材料におけるストレイントロニクスの応用が可能となった。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures (vdWHs) combine different layered materials with properties of interest,1 such as two-dimensional (2D) semimetals, semiconductors, magnets or superconductors. These heterostructures provide the possibility of engineering new materials with emergent functionalities that are not accessible in another way. Beyond inorganic 2D materials, layered molecular materials remain still rather unexplored, with only few examples regarding their isolation as atomically thin-layers. By a proper chemical design, the physical properties of these systems can be tuned, as illustrated by the so-called spin-crossover (SCO) compounds, in which a spin transition can be induced by applying external stimuli like light, temperature, pressure or an electric field. Here, we report on vdWHs formed by SCO layers and few-layers graphene, being its properties modified by the strain concomitant to the spin transition. These molecular/inorganic vdWHs represent the deterministic incorporation of bistable molecular layers with other 2D materials of interest in the emergent field of straintronics.

研究の動機と目的

• 2次元材料におけるストレイン工学のための決定的手法の開発。
• スピンクロスオーバー金属有機フレームワーク（SCO-MOF）からのストレインが2次元材料の電子的および光学的性質に与える影響の調査。
• 熱誘起SCO遷移を用いたグラフェンおよびWSe2における抵抗率および光励起発光の可逆的かつヒステリックな変調の実証。
• 分子の二安定性と2次元半導体を組み合わせた、ストレイントロニクスおよびバンド工学に向けた新しい機能的vdWHの確立。

提案手法

• 機械的剥離法で得られたSCO-MOF {Fe-(3-Clpyridine)2-[PtII(CN)4]} の薄膜をストレイン誘導層として用いた。
• 不活性Atmosphere下でマイクロマニピュレータおよびポリカーボネートトランスファー技術を用いて、決定的かつファンデルワールスヘテロ構造（vdWHs）を組み立てた。
• 冷却装置（1–185 K）を用いた4端子DC電気的輸送測定により、熱サイクリング中の抵抗率ヒステリシスをモニタリングした。
• 光学コントラストイメージングにより、厚さおよび屈折率の変化を介してSCO遷移を追跡し、冷却時（約141 K）および加熱時（約164.5 K）にヒステリシスを観察した。
• WSe2ベースのvdWHにおける光励起発光（PL）測定を、VarshniおよびRudin-Reinecke-Segallの法則を用いて解析し、エネルギー間隔およびバンド幅の温度依存性をモデル化した。
• 電気的データは基準温度（T* = 185 K）に正規化して幾何的変動を補正し、抵抗変化（ΔRnorm）を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンクロスオーバー金属有機フレームワークは、ファンデルワールスヘテロ構造内における2次元材料に決定的かつ可逆的ストレインを誘発できるか？
• RQ2 SCO遷移は、vdWHにおけるグラフェンおよびWSe2の電気的抵抗率にどのように影響を与え、その応答はヒステリックか？
• RQ3 SCO-MOFからのストレインは、WSe2単層の光励起発光特性にどの程度modulateするか？
• RQ4 2次元材料におけるストレイン誘起変化は、再現可能なデバイス動作を可能にするために定量化および正規化可能か？

主な発見

• SCO/FLG vdWHでは、Tc↓ = 140 KおよびTc↑ = 166 Kの明確なヒステリシスループが抵抗率に観察され、孤立したFLGでは観察されないため、ストレイン結合が確認された。
• 正規化抵抗変化（ΔRnorm）は (2.91 ± 0.13) % に達し、再現可能で測定可能なストレイン応答であることを示した。
• 低スピン状態における活性化エネルギー（Ea = 1.77 ± 0.02 meV）は、高スピン状態（Ea = 5.18 ± 0.06 meV）に比べ顕著に低く、異なる輸送メカニズムを反映している。
• vdWH内のWSe2の光励起発光は、温度依存のエネルギー間隔シフト（Varshni法でモデル化）およびバンド幅の拡張（Rudin-Reinecke-Segall法でモデル化）を示し、ストレイン誘起バンド構造変調を確認した。
• SCO-MOFはスピン遷移に伴い8%の体積変化を示し、2次元材料への顕著な格子ストレイン転送を可能にした。
• 本手法により、複数回の熱サイクルにわたって再現可能かつ決定的なストレインスイッチングが実現され、薄い（約300 nm）SCO層において安定な単一ドメイン伝播が観察された。