[논문 리뷰] Extraordinary high room-temperature carrier mobility in graphene-WSe$_2$ heterostructures

Luca Banszerus, Thibault Sohier외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 20.

Graphene research and applications참고 문헌 28인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 그래핀-WSe₂-hBN 반데르발스 헤테로구조가 실온에서 최대 350,000 cm²/(V·s)의 실온 운반체 이동도를 달성함을 보여주며, 기존의 최고 수준의 그래핀/hBN 장치를 3배 이상 초월한다. 이 향상은 그래핀-WSe₂ 인터페이스에서 수정된 고체음파 밴드에 기인하며, 기존의 전자-음파 산란 모델에 도전하고 간과된 다층 간 상호작용 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

High carrier mobilities play a fundamental role for high-frequency electronics, integrated optoelectronics as well as for sensor and spintronic applications, where device performance is directly linked to the magnitude of the carrier mobility. Van der Waals heterostructures formed by graphene and hexagonal boron nitride (hBN) already outperform all known materials in terms of room temperature mobility. Here, we show that the mobility of today's best graphene/hBN devices can be surpassed by more than a factor of three by heterostructures formed by tungsten diselenide (WSe$_2$), graphene and hBN, which can have mobilities as high as 350,000 cm$^2$/(Vs) at room temperature, and resistivities as low as 15 Ohm. The resistivity of these devices shows a much weaker temperature dependence than the one of graphene on any other known substrate. The origin of this behaviour points to modified acoustic phonon bands in graphene and questions our understanding of electron-phonon scattering in van der Waals heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 기반 헤테로구조에서 실온 운반체 이동도의 이론적 상한선을 극복하기 위해.
• 2차원 반데르발스 헤테로구조에서 전자 운반의 향상을 위한 인터페이스 음파 공학의 역할을 조사하기 위해.
• 그래핀 헤테로구조에서 WSe₂가 전자-음파 산란 거동에 상당한 변화를 유도하는지 확인하기 위해.
• WSe₂/Gr/hBN 장치에서 예상치 못한 높은 이동도와 낮은 저항률의 기원을 탐색하기 위해.
• 2차원 물질에서 다층 간 상호작용이 음파 분산과 전자 운반에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• CVD로 성장시킨 그래핀과 기계적 분리한 hBN 및 WSe₂ 플레이크를 SiO₂/Si 기반체에 건식 전달하여 WSe₂/Gr/hBN 헤테로구조를 제작하고, 백게이트형 홀바 기하구조를 사용하였다.
• 청결한 인터페이스와 그래핀과 WSe₂ 사이의 다층 간 거리(~5.3 Å) 측정을 위해 횡단형 스캐닝 투과 전자현미경(STEM)을 사용하였다.
• 78 Hz에서 잠금-인 기술을 사용하여 2–300 K의 저온에서 사극측정을 수행하여 縦방향 및 홀 저항률을 추출하였다.
• 이중게이트 장치 D1에서 운반체 밀도와 전기적 결합을 독립적으로 결정하기 위해 홀 측정 및 양자 홀 효과 측정을 실시하였다.
• |n| = 1×10¹¹에서 1×10¹² cm⁻² 범위에서 전도도 데이터를 σ = neμ + σ₀로 피팅하여 이동도와 잔류 전도도를 추출하였다.
• 음파 밴드 수정과 전자-음파 결합, 특히 그래핀-WSe₂ 인터페이스에서의 상호작용 평가를 위해 아비-아이디오 계산과 이론적 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 헤테로구조에서 WSe₂가 순수한 그래핀에서 전자-음파 산란에 의해 설정된 이론적 이동도 한계를 초월할 수 있는가?
• RQ2 기존의 hBN로 안정화된 그래핀 장치와 비교해 WSe₂/Gr/hBN 헤테로구조에서 실온 운반체 이동도가 향상된 원인은 무엇인가?
• RQ3 그래핀과 WSe₂ 사이의 인터페이스 결합이 2차원 헤테로구조에서 음파 분산과 전자-음파 산란에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 WSe₂ 층이 도핑에 얼마나 기여하며, 백게이트나 톱게이트를 통해 전기적으로 조절 가능한가?
• RQ5 왜 WSe₂/Gr/hBN 장치의 저항률은 다른 기반체와 비교해 비정상적으로 온도 의존성이 약한가?

주요 결과

• WSe₂/Gr/hBN 헤테로구조는 기록적인 실온 운반체 이동도 350,000 cm²/(V·s)를 달성하였으며, 이는 기존 그래핀/hBN 장치의 기준을 3배 이상 초월하였다.
• 장치의 저항률은 최소 15 Ω에 도달하였고, 이는 어떤 알려진 기반체에 있는 그래핀보다도 온도 의존성이 현저히 낮았다.
• WSe₂/Gr/hBN 장치의 종방향 전도도는 전자 도핑과 정공 도핑 영역에서 거의 선형적 행동을 보였으며, 참고용 hBN/Gr/hBN 장치에서 관찰되는趋세와는 다름을 보였다.
• 장치 D1의 잔류 전도도(σ₀)는 18 e²/h였으며, 이는 극도로 높은 이동도에도 불구하고 낮은 불순물 농도와 고품질 인터페이스를 나타내었다.
• 이론적 분석에 따르면 그래핀-WSe₂ 인터페이스에서 수정된 고체음파 밴드가 존재하며, 이는 시프트 모드 결합에 기인할 수 있으나, 아비-아이디오 계산은 필요한 음파 연화(ωΓ ~ 50–180 cm⁻¹)를 재현하지 못하였다.
• 결과적으로 기존의 2차원 헤테로구조에서 전자-음파 산란에 대한 통념적 이해를 도전하며, 간과된 다층 간 기계적 결합 효과가 존재할 가능성을 시사한다.