[論文レビュー] Thickness Dependence of Magneto-transport Properties in Tungsten Ditelluride

Xurui Zhang, Vivek Kakani+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 73被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、剥離したWTe2フラクチュアの厚さ依存性磁電輸送特性を調査し、厚さの減少が電子-正孔キャリアバランスを破壊し、'オン'動作と大きな正の磁気抵抗（MR）を抑制するが、非飽和MRは保持されることを明らかにした。主な発見として、多層WTe2は電子的3次元系として振る舞い、その非対称性は薄くなるにつれて減少する厚さ依存性のフェルミ面非対称性が得られ、シュービニコフ＝ドーハス oscillation（SdH）を用いた温度感受性の電子状態の変化の証拠も得られた。

ABSTRACT

We investigate the electronic structure of tungsten ditelluride (WTe$_2$) flakes with different thicknesses in magneto-transport studies. The temperature-dependent resistance and magnetoresistance (MR) measurements both confirm the breaking of carrier balance induced by thickness reduction, which suppresses the `turn-on' behavior and large positive MR. The Shubnikov-de-Haas oscillation studies further confirm the thickness-dependent change of electronic structure of WTe$_2$ and reveal a possible temperature-sensitive electronic structure change. Finally, we report the thickness-dependent anisotropy of Fermi surface, which reveals that multi-layer WTe$_2$ is an electronic 3D material and the anisotropy decreases as thickness decreases.

研究の動機と目的

• 厚さをバルクから数層に減少させるに伴うWTe2における電子状態の進化を理解すること。
• WTe2に見られる'オン'動作および大きな正の磁気抵抗（MR）の起源を解明し、その厚さ依存性を調査すること。
• 角度依存MRとシュービニコフ＝ドーハス（SdH）oscillationを用いて、多層WTe2におけるフェルミ面トポロジーおよび非対称性を調査すること。
• 厚さの減少がWTe2におけるキャリア補償、有効質量、および電子的次元性に与える影響を特定すること。

提案手法

• 150 nm、20 nm、5 nmの異なる厚さのWTe2フラクチュアに対して、温度依存抵抗（R-T）および磁気抵抗（MR）測定を実施した。
• Kohlerの法則（MR = A(H/R0)^m）を適用してR-T曲線をスケーリングし、キャリア補償および'オン'動作の評価を実施した。
• SdH oscillation測定を実施し、フェルミポケット面積、有効質量、フェルミ面トポロジーの変化を抽出した。
• 2バンドモデルを用いてホール効果およびMRデータにフィットさせ、キャリア密度および移動度を抽出した。
• 角度依存MR測定を実施し、εθ = (cos⁻²θ + γ⁻²sin⁻²θ)^½を用いてフェルミ面非対称性パラメータγを抽出した。
• Lifshitz-Kosevich式を適用してSdH oscillation振幅の温度依存性を分析し、有効質量を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 厚さの減少がWTe2における'オン'動作および大きな正のMRにどのように影響するか？
• RQ2 キャリアの不均衡が、薄いWTe2フラクチュアにおける'オン'効果および大きなMRの抑制に果たす役割は何か？
• RQ3 多層WTe2において、厚さが減少するに従ってフェルミ面トポロジーおよび非対称性はどのように変化するか？
• RQ4 SdH oscillation挙動から示唆されるように、温度はWTe2における電子状態に変化を引き起こすか？
• RQ5 WTe2は実際には3次元的電子系と見なせるか？ そのフェルミ面非対称性は厚さにどのように依存するか？

主な発見

• 'オン'動作はフェルミ液体状態およびキャリア補償に関連し、20 nmのサンプルではm = 1.69、150 nmのサンプルではm = 1.8と、キャリアバランスの低下により薄いWTe2で抑制される。
• 非飽和正のMRはすべての厚さで維持されるが、その大きさは抑制される（例：バルクでは最大MR ~13,000,000%、150 nmでは~1,200%）。これは不完全なキャリア補償を示唆する。
• SdH oscillationはフェルミ面の顕著な変化を示しており、厚いサンプル（150 nm）ではγポケット（AF = 0.0178 Å⁻²）が消失し、薄いサンプル（20 nm）では新しいδポケット（AF = 0.008 Å⁻²）が出現する。
• 厚さの減少に伴い有効質量はmα = 0.393 meからmα = 0.301 meに減少し、封入された20 nmフラクチュアではキャリア移動度が向上していることが示唆される。
• フェルミ面非対称性パラメータγは、厚い（150 nm）WTe2では8.08から、薄い（20 nm）WTe2では2.28に減少し、非対称性が低下し、より強い3次元的性質を示す。
• 薄いWTe2における温度依存SdH oscillationは、0.02 K以上の温度で二重ピーク分裂を示し、スピン軌道結合の温度誘発的破壊およびおそらくパシュエン＝バック効果を示唆する。