[論文レビュー] Suppression of magnetoresistance in thin $WTe_2$ flakes by surface oxidation

John M. Woods, Junying Shen+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2016

Magnetic Field Sensors Techniques参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、薄いWTe₂フラクチュアの表面酸化が、キャリア移動度を低下させ、不規則性を導入する約2 nmのアモルファス酸化被膜を形成することによって、その大きな磁気抵抗を抑制することを示している。フェルミ準位は約300 meVシフトするが、磁気抵抗の抑制の主な原因はバンド曲げではなく移動度の低下であり、2次元材料における表面効果の重要性を強調している。

ABSTRACT

Recent renewed interest in layered transition metal dichalcogenides stems from the exotic electronic phases predicted and observed in the single- and few-layer limit. Realizing these electronic phases requires preserving the desired transport properties down to a monolayer, which is challenging. Here, using semimetallic $WTe_2$ that exhibits large magnetoresistance, we show that surface oxidation and Fermi level pinning degrade the transport properties of thin $WTe_2$ flakes significantly. With decreasing $WTe_2$ flake thickness, we observe a dramatic suppression of the large magnetoresistance. This is explained by fitting a two-band model to the transport data, which shows that mobility of the electron and hole carriers decreases significantly for thin flakes. The microscopic origin of this mobility decrease is attributed to a ~ 2 nm-thick amorphous surface oxide layer that introduces disorder. The oxide layer also shifts the Fermi level by ~ 300 meV at the $WTe_2$ surface. However, band bending due to this Fermi level shift is not the dominant cause for the suppression of magnetoresistance as the electron and hole carrier densities are balanced down to ~ 13 nm based on the two-band model. Our study highlights the critical need to investigate often unanticipated and sometimes unavoidable extrinsic surface effects on the transport properties of layered dichalcogenides and other 2D materials.

研究の動機と目的

• 薄いWTe₂フラクチュアにおける磁気抵抗の低下の原因を調査すること。
• 少数層WTe₂における電子輸送特性の劣化に及ぼす表面酸化の役割を特定すること。
• フェルミ準位ピン留めとキャリア移動度の低下のどちらが磁気抵抗の低下において支配的要因であるかを評価すること。
• 表面酸化被膜が2次元遷移金属ディチalcogenidesにおけるキャリア輸送に与える影響を定量化すること。
• 2次元材料の物性研究において、外的表面効果の重要性を強調すること。

提案手法

• 異なる厚さの機械的剥離法で得たWTe₂フラクチュアを用いて輸送測定を実施した。
• 電気的輸送データに2バンドモデルをフィットさせ、電子およびホールのキャリア密度と移動度を抽出した。
• X線光電子分光法（XPS）および表面分析を用いて、2 nmのアモルファス酸化被膜の存在を確認した。
• 2バンドモデルを用いてフェルミ準位のシフトを定量し、バンド曲げ効果と比較した。
• フラクチュアの厚さと磁気抵抗の関係を体系的に分析した。
• 理論的予測と比較して、酸化被膜による不規則性が移動度低下に与える寄与をフィッティングにより評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面酸化は、薄いWTe₂フラクチュアの磁気抵抗にどのように影響するか？
• RQ2 少数層WTe₂における磁気抵抗の低下の背後にある支配的物理機構は何か？
• RQ3 表面酸化によるフェルミ準位ピン留めは、輸送特性の劣化にどの程度寄与するか？
• RQ4 WTe₂フラクチュアの厚さは、表面酸化がキャリア移動度に与える影響にどのように関係するか？
• RQ5 アモルファス酸化被膜が不規則性を導入し、電子的物性を劣化させる役割は何か？

主な発見

• 薄いWTe₂フラクチュアの表面に約2 nmのアモルファス表面酸化被膜が形成され、顕著な不規則性を引き起こす。
• 酸化被膜の影響により、薄いフラクチュアでは電子およびホールのキャリア移動度が著しく低下する。
• 表面酸化により、WTe₂表面のフェルミ準位が約300 meVシフトする。
• フェルミ準位の大きなシフトにもかかわらず、バンド曲げは磁気抵抗の抑制の主な原因ではない。
• 磁気抵抗の抑制は、フェルミ準位ピン留めよりも主にキャリア移動度の低下に起因する。
• 本研究では、外的表面効果、特に酸化が、WTe₂のような2次元材料における輸送特性を著しく劣化させることを示している。