[論文レビュー] Tunable Chirality-dependent Nonlinear Electrical Responses in 2D Tellurium

Chang Niu, Gang Qiu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、磁場下で左右のヘリシカルな形態が相反するスピン極化輸送を示す、2次元（2D）テルルルムにおけるゲート可変でヘリシカル依存の非線形電気的応答を実証した。この研究では、非反復的縦方向輸送および非線形平面Hall効果が観測され、符号反転がヘリシカル対称性とスピン軌道結合に起因しており、ヘリカルエレクトロニクスのためのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Tellurium (Te) is an elemental semiconductor with a simple chiral crystal structure. Te in a two-dimensional (2D) form synthesized by solution-based method shows excellent electrical, optical, and thermal properties. In this work, the chirality of hydrothermally grown 2D Te is identified and analyzed by hot sulfuric acid etching and high-angle tilted high-resolution scanning transmission electron microscopy. The gate-tunable nonlinear electrical responses, including the nonreciprocal electrical transport in the longitudinal direction and the nonlinear planar Hall effect in the transverse direction, are observed in 2D Te under a magnetic field. Moreover, the nonlinear electrical responses have opposite signs in left- and right-handed 2D Te due to the opposite spin polarizations ensured by the chiral symmetry. The fundamental relationship between the spin-orbit coupling and the crystal symmetry in two enantiomers provides a viable platform for realizing chirality-based electronic devices by introducing the chirality degree of freedom into electron transport.

研究の動機と目的

• 2次元テルルルムの電子的輸送特性における内在的ヘリシカル性の役割を調査すること。
• ヘリシカル対称性およびスピン軌道結合が非線形電気的応答に与える影響を調査すること。
• 2次元Teにおけるゲート可変でヘリシカル依存の非反復的輸送および平面Hall効果を実証すること。
• 結晶のヘリシカル性を自由度として用いることで、ヘリカルベースの電子素子のプラットフォームを確立すること。
• 左右のヘリカルな2次元Teエナンチオモールフェルの構造的および電子的差異を同定すること。

提案手法

• 高品質でヘリカルな結晶を得るため、水熱的溶液法を用いて2次元テルルルムを合成した。
• ホットな硫酸酸エッチングおよび高角度傾き高分解能走査型透過電子顕微鏡（HAADF-STEM）を用い、ヘリカル構造の特定および確認を行った。
• 印加磁場下での電気的測定を実施し、非線形輸送行動を調査した。
• キャリア密度を調整し、非線形応答のゲート可変性を観察するため、バックゲート型フィールド効果トランジスタ構造を用いた。
• 非反復的縦方向コンダクタンスおよび非線形平面Hall電圧を測定し、ヘリシカル依存効果を検出した。
• スピン軌道結合を介して、観測された輸送非対称性をヘリカル結晶対称性およびスピン極化状態と関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元テルルルムの内在的ヘリシカル性は、磁場下におけるその非線形電気的輸送特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2次元Teにおける非線形電気的応答は、静電的ゲートによってチューニング可能か？
• RQ3 2次元Teにおけるヘリカル結晶対称性とスピン極化輸送の関係は何か？
• RQ4 左右のヘリカルな2次元Teエナンチオモールフェルは、ヘリシカル対称性のため、非線形応答が逆符号を示すか？
• RQ5 ヘリカル2次元材料におけるスピン軌道結合は、どのように新規な電子的機能性を活用できるか？

主な発見

• 左右のヘリカルな2次元テルルルムエナンチオモールフェルは、ヘリシカル対称性およびスピン極化に起因し、非線形電気的応答の符号が反転している。
• ゲート電圧のチューニングにより非線形コンダクタンスが変化し、縦方向の非反復的輸送の動的制御が可能になった。
• 横方向輸送において非線形平面Hall効果が観測され、同一の磁場条件下でエナンチオモールフェル間で符号反転が確認された。
• 高角度傾きHAADF-STEM像およびホットな硫酸酸エッチングにより、ヘリカル結晶構造が確認され、左右の形態が明確に区別された。
• 観測された効果は、スピン軌道結合とヘリカル格子対称性の基本的相互作用に起因し、スピン極化輸送を可能にした。
• 本研究の結果により、結晶のヘリシカル性が電子輸送におけるチューナブルな自由度として機能するため、2次元テルルルムがヘリカルエレクトロニクスの実現可能なプラットフォームであることが確立された。