[論文レビュー] Surface transport and band gap structure of exfoliated 2H-MoTe$_2$ crystals

Ignacio Gutiérrez Lezama, Alberto Ubaldini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2014

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、イオン液体ゲートトランジスタと複数の分光法を用いて、剥離された2H-MoTe₂結晶の表面輸送およびバンドギャップ特性を調査した。室温での両性輸送が再現可能に観測され、ホールおよび電子移動度はそれぞれ10–30 cm²/Vsであった。また、間接バンドギャップが0.88 eV、直接バンドギャップが1.02 eVであることが特定され、モノレイヤー厚さに達する前にもMoTe₂が直接ギャップに遷移する可能性が示唆された。

ABSTRACT

Semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) have emerged as materials that can be used to realize two-dimensional (2D) crystals possessing rather unique transport and optical properties. Most research has so far focused on sulfur and selenium compounds, while tellurium-based materials attracted little attention so far. As a first step in the investigation of Te-based semiconducting TMDs in this context, we have studied MoTe$_2$ crystals with thicknesses above 4 nm, focusing on surface transport and a quantitative determination of the gap structure. Using ionic-liquid gated transistors, we show that ambipolar transport at the surface of the material is reproducibly achieved, with hole and electron mobility values between 10 and 30 cm$^2$/Vs at room temperature. The gap structure is determined through three different techniques: ionic-liquid gated transistors and scanning tunneling spectroscopy, that allow the measurement of the indirect gap ($E_{ind}$), and optical transmission spectroscopy on crystals of different thickness, that enables the determination of both the direct ($E_{dir}$) and the indirect gap. We find that at room temperature $E_{ind}$ = 0.88 eV and $E_{dir}$ = 1.02 eV. Our results suggest that thin MoTe$_2$ layers may exhibit a transition to a direct gap before mono-layer thickness. They should also drastically extend the range of direct gaps accessible in 2D semiconducting TMDs.

研究の動機と目的

• テルル含有遷移金属ジ chalcogenides (TMDs)、特にSおよびSeの類縁体よりも注目が薄い2H-MoTe₂の電子的輸送およびバンド構造を調査すること。
• 4 nm以上の厚さを有する剥離されたMoTe₂結晶の表面輸送特性を特定すること。
• 複数の補完的技術を用いてMoTe₂の直接および間接バンドギャップを定量的に測定すること。
• 薄いMoTe₂層が直接バンドギャップを示す可能性を評価すること。これは、2次元半導体TMDにおける利用可能な直接ギャップの範囲を拡張するものである。

提案手法

• 4 nm以上の厚さを有する剥離された2H-MoTe₂結晶を用いて、イオン液体ゲートトランジスタを作製し、表面輸送を調査した。
• イオン液体ゲーティングを用いて静電的ドーピングを実現し、室温での両性輸送挙動を測定した。
• スキャントンネル分光法（STS）を用いて、MoTe₂の間接バンドギャップ（E_ind）を測定した。
• さまざまな厚さのMoTe₂フラクタルを用いて光学透過分光法を実施し、直接（E_dir）および間接（E_ind）バンドギャップを抽出した。
• ゲートトランジスタ、STS、光学分光法の結果を統合し、バンドギャップ値の相互検証および厚さ依存の電子遷移を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剥離された2H-MoTe₂結晶の室温における表面輸送特性は何か？
• RQ2 イオン液体ゲートトランジスタおよびスキャントンネル分光法を用いて測定された2H-MoTe₂の間接バンドギャップ（E_ind）の大きさは何か？
• RQ3 光学透過分光法を用いて得られたMoTe₂の直接バンドギャップ（E_dir）は何か？また、厚さに応じてどのように変化するか？
• RQ4 その電子構造が示唆するように、MoTe₂はモノレイヤー厚さに達する前にも直接バンドギャップに遷移するか？

主な発見

• 室温で、ホールおよび電子移動度がそれぞれ10–30 cm²/Vsの範囲にある、再現可能な両性輸送が剥離された2H-MoTe₂で観測された。
• イオン液体ゲートトランジスタおよびスキャントンネル分光法を用いて、2H-MoTe₂の間接バンドギャップ（E_ind）が0.88 eVであると特定された。
• さまざまな厚さのフラクタルを用いた光学透過分光法により、直接バンドギャップ（E_dir）が1.02 eVであると測定された。
• 結果から、薄いMoTe₂層がモノレイヤー厚さに達する前にも直接バンドギャップに遷移する可能性があることが示唆され、少数レイヤーの2次元半導体における直接ギャップ行動の可能性を示した。
• 本研究は、MoTe₂が従来のSおよびSe化合物を超えて、2次元半導体TMDにおける利用可能な直接バンドギャップの範囲を拡張することを示した。
• ゲートトランジスタ、STS、光学分光法の3つの独立した技術で得られたバンドギャップ値の整合性から、測定された電子的性質の信頼性が確認された。