[論文レビュー] Tunneling transport of mono- and few-layers magnetic van der Waals MnPS$_3$

Sungmin Lee, Ki‐Young Choi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2016

2D Materials and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、誘電的半導体であるvan der Waals磁性半導体であるモノレイヤーおよび少数レイヤーのMnPS₃におけるトンネル輸送を、導電性原子間力顕微鏡を用いて調査した。シュットキー接合およびフォローニューマントンネル効果の両方が同定され、有効電子質量0.5 meを用いて、トンネル障壁高さ1.31 eVおよび誘電破壊強度5.41 MV/cmが推定された。

ABSTRACT

We have investigated the tunneling transport of mono- and few-layers of MnPS3 by using conductive atomic force microscopy. Due to the band alignment of indium tin oxide/MnPS3/Pt-Ir tip junction, the key features of both Schottky junction and Fowler-Nordheim tunneling (FNT) were observed for all the samples with varying thickness. Using the FNT model and assuming the effective electron mass (0.5 me) of MnPS3, we estimate the tunneling barrier height to be 1.31 eV and the dielectric breakdown strength as 5.41 MV/cm.

研究の動機と目的

• 原子層スケールのMnPS₃、磁性van der Waals半導体の電気的輸送特性を調査すること。
• さまざまな厚さにおけるITO/MnPS₃/Pt-Irプローブ接合におけるトンネルメカニズムの性質を理解すること。
• 二次元MnPS₃におけるトンネル障壁高さおよび誘電破壊強度を定量すること。
• バンドギャップアライメントおよび有効電子質量がトンネル特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• モノレイヤーおよび少数レイヤーのMnPS₃におけるトンネル輸送を測定するために、導電性原子間力顕微鏡（CAFM）が用いられた。
• ITO/MnPS₃/Pt-Irプローブ接合を用いて、バイアスを可変にできるシュットキーに類似したヘテロ接合を形成した。
• フォローニューマントンネル効果（FNT）モデルを適用して、トンネル障壁高さおよび誘電強度を抽出した。
• FNT解析において、有効電子質量0.5 meを仮定し、障壁パラメータを推定した。
• トンネル電流-電圧特性の解析により、シュットキーおよびFNT領域を区別した。
• 誘電破壊強度は、電流の急増が観察されるまでの最大電界から計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ITO/MnPS₃/Pt-Ir接合におけるモノレイヤーおよび少数レイヤーMnPS₃で支配的なトンネルメカニズムは何か？
• RQ2 二次元MnPS₃におけるトンネル障壁高さは、厚さに応じてどのように変化するか？
• RQ3 高電界下における少数レイヤーMnPS₃の誘電破壊強度は何か？
• RQ4 有効電子質量はMnPS₃におけるトンネル輸送にどのように影響するか？
• RQ5 ヘテロ接合におけるバンドギャップアライメントは、トンネル挙動にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• すべての測定サンプルにおいて、厚さに関係なくシュットキー接合およびフォローニューマントンネル効果の両方が観察された。
• フォローニューマンモデルおよび有効電子質量0.5 meを用いて、MnPS₃のトンネル障壁高さは1.31 eVと推定された。
• MnPS₃の誘電破壊強度は5.41 MV/cmと計算され、高電界下でも高い耐久性を示すことがわかった。
• モノレイヤーおよび少数レイヤーMnPS₃において、トンネル輸送特性に一貫性が見られ、安定した電子的挙動が示された。
• 観察されたFNT挙動は、ヘテロ接合界面に明確なトンネル障壁が存在することを確認した。
• 本結果は、MnPS₃が高誘電的安定性を示す二次元スピントロニクスおよびトンネルデバイスの候補である可能性を支持する。