[논문 리뷰] How the dynamic of photo-induced gate screening complicates the investigation of valley physics in 2D materials

Frank Volmer, Manfred Ersfeld외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 08.

2D Materials and Applications참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 헥사곤형 붕소질화물(hBN)로 둘러싸인 2차원(2D) 물질에서 광유도 게이트 스크리닝이 게이트 의존 측정에서 시간적 및 방향적 히스테리시스를 유도함으로써 동일한 명목상 게이트 전압에 대해 일관되지 않은 패피 레벨 위치를 초래함을 보여준다. 주요 기여는 특히 광학적 자극 하에서의 트랩 상태 충전 동역학을 식별함으로써 밸리 물리학 연구에서의 실험적 오류의 주요 원인이 되며, 광학적 및 전기적 측정 간의 교차 기술 비교의 신뢰성을 해친다.

ABSTRACT

An in-depth analysis of valley physics in 2D materials like transition metal dichalcogenides requires the measurement of many material properties as a function of Fermi level position within the electronic band structure. This is normally done by changing the charge carrier density of the 2D material via the gate electric field effect. Here, we show that a comparison of gate-dependent measurements, which were acquired under different measurement conditions can encounter significant problems due to the temporal evolution of the charging of trap states inside the dielectric layer or at its interfaces. The impact of, e.g., the gate sweep direction and the sweep rate on the overall gate dependence gets especially prominent in optical measurements due to photo-excitation of donor and acceptor states. Under such conditions the same nominal gate-voltage may lead to different gate-induced charge carrier densities and, hence, Fermi level positions. We demonstrate that a current flow from or even through the dielectric layer via leakage currents can significantly diminish the gate tunability in optical measurements of 2D materials.

연구 동기 및 목표

• hBN 절연체에서 광유도 트랩 충전 동역학이 2D 물질의 게이트 조절 능력을 저해하는 동적 영향을 규명하고 특성화하는 것.
• 동일한 게이트 전압이 측정 이력과 광학적 자극 여부에 따라 다른 실질적 전하 운반자 농도 및 패피 레벨 위치를 초래하는 이유를 설명하는 것.
• 누설 전류와 시간에 따라 변하는 스크리닝이 밸리트로닉스 실험에서 광학적 및 전기적 측정의 신뢰성을 떨어뜨리는 방식을 보여주는 것.
• 트랩 상태의 시간적 진화를 고려하지 않은 채 서로 다른 측정 기술 간의 게이트 의존 데이터 비교 시 발생할 수 있는 위험을 부각하는 것.
• 특히 밸리 균형 동역학의 맥락에서 광학적 자극 하에서 2D 물질의 게이트 의존 측정을 해석하기 위한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• hBN 절연체를 사용한 단일층 WSe2 장치에서 게이트 전압의 방향과 속도를 변화시키며 게이트 의존 광발광(PL) 분광법을 수행하여, 다양한 게이트 스우프 방향과 속도에서 패피 레벨 의존성을 탐색하는 것.
• 동시 전기적 전이 특성을 측정하여 게이트 전압과 실제 전하 운반자 농도 간의 관계를 확인하고 전류-전압 응답에서의 히스테리시스를 추적하는 것.
• 시간 해상도 측정을 통해 광유도 스크리닝 효과의 시간적 진화를 분석하여 분석적으로 수분 간의 지수적 감쇠 동역학을 규명하는 것.
• hBN 내 기부 상태에서 전자가 게이트 편향과 광학적 자극 하에서 2D 물질으로 이동하는 것을 도식화한 모델을 사용하여, 완전한 스크리닝이 이루어지지 않으며 동적 패피 레벨 이동이 발생하는 원리를 설명하는 것.
• 예를 들어 TRKR 이전과 이후의 PL 측정 결과를 비교하여 트랩 상태 충전 이력에 의한 불일치를 드러내는 것.
• hBN 내 트랩 상태가 전하 저장소로 작용하여 게이트 전기장 스크리닝을 유도하며, 광학적 자극이 깊은 이온화를 가능하게 하고 효과적인 전기장의 크기를 변화시킨다는 모델을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자극은 hBN로 둘러싸인 2D 물질에서 게이트 유도 전하 운반자 농도의 시간적 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 동일한 게이트 전압이 광학적 자극이 포함된 경우 측정 이력에 따라 다른 패피 레벨 위치를 초래하는가?
• RQ3 hBN 절연체 내 트랩 상태 충전 동역학이 밸리 물리학 실험에서 교차 기술 비교의 신뢰성에 얼마나 심각하게 영향을 미치는가?
• RQ4 게이트 전압의 스우프 방향과 속도는 2D 물질의 광학적 측정에서 관측되는 게이트 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 절연체를 통과하는 누설 전류는 광학 측정 중 게이트 조절 능력 저하에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 동일한 명목상 게이트 전압이 트랩 충전의 동적 특성으로 인해 스우프 방향과 이전 광학 이력에 따라 상당히 다른 패피 레벨 위치를 초래할 수 있다.
• hBN의 결함 상태에 대한 광자극은 시간에 따라 변화하는 게이트 전기장 스크리닝을 유도하며, 이는 수분 간의 회복 시간까지 지속될 수 있다.
• 게이트 전압 스우프 범위의 절반에서만 명확한 게이트 조절 창이 관찰되며, 이는 트랩 상태의 충전 및 스크리닝 행동에 강한 비대칭성을 나타낸다.
• 절연체를 통과하는 누설 전류는 특히 광자극이 트랩 이온화를 증가시켜 효과적인 게이트 조절 능력을 크게 감소시킬 수 있다.
• 동일한 장치에서 다양한 조건 하에서 전기적 및 광학적 측정을 수행할 경우, 동적 스크리닝 효과를 고려하지 않으면 밸리 물리학에 대한 잘못된 결론에 이르게 할 수 있다.
• 이 연구는 hBN 내부, 2D 물질과의 인터페이스, 또는 기질 인터페이스에 있는 트랩 상태가 모두 동적 스크리닝에 기여할 수 있음을 보여주며, 그 정확한 위치는 여전히 논란의 여지가 있다.