[논문 리뷰] Strain Switching in van der Waals Heterostructures triggered by a Spin-Crossover Metal Organic Framework

Carla Boix‐Constant, Víctor García‐López외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 06.

2D Materials and Applications참고 문헌 43인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 분자적 변형원으로서 스핀 코existence 금속 유기 프레임워크(SCO-MOF)를 통합하여 반데르발스 이종구조(vdWHs)에서 결정적인 변형 스위칭을 구현함을 보여준다. SCO-MOF {Fe-(3-Clpyridine)2-[PtII(CN)4]}는 열 사이클링 시 8%의 부피 변화를 유도하며, 그래핀과 WSe2와 같은 인접한 2차원 물질에서 가역적인 변형을 유도하여 전자적 및 옵티오일렉트로닉 특성을 조절한다. 이 과정에서 전기 저항과 광발광에 명확한 히스테리시스가 관찰되어 2차원 물질에서의 변형트로닉스 응용이 가능하다.

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures (vdWHs) combine different layered materials with properties of interest,1 such as two-dimensional (2D) semimetals, semiconductors, magnets or superconductors. These heterostructures provide the possibility of engineering new materials with emergent functionalities that are not accessible in another way. Beyond inorganic 2D materials, layered molecular materials remain still rather unexplored, with only few examples regarding their isolation as atomically thin-layers. By a proper chemical design, the physical properties of these systems can be tuned, as illustrated by the so-called spin-crossover (SCO) compounds, in which a spin transition can be induced by applying external stimuli like light, temperature, pressure or an electric field. Here, we report on vdWHs formed by SCO layers and few-layers graphene, being its properties modified by the strain concomitant to the spin transition. These molecular/inorganic vdWHs represent the deterministic incorporation of bistable molecular layers with other 2D materials of interest in the emergent field of straintronics.

연구 동기 및 목표

• 2차원 물질에서 분자적 반데르발스 이종구조를 이용한 변형 공학을 위한 결정적 방법을 개발하기 위해.
• 스핀 코existence 금속 유기 프레임워크(SCO-MOF)의 변형이 2차원 물질의 전자적 및 광학적 특성에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 열적 유도 스핀 전이를 통해 그래핀과 WSe2에서 전기 저항과 광발광의 가역적·히스테리식 조절을 실험적으로 입증하기 위해.
• 분자 이중 안정성과 2차원 반도체를 조합한 새로운 종류의 功能성 vdWHs를 구축하여 변형트로닉스 및 밴드 엔지니어링에 응용하기 위해.

제안 방법

• 스핀 코existence 금속 유기 프레임워크(SCO-MOF) {Fe-(3-Clpyridine)2-[PtII(CN)4]}의 기계적 분리된 얇은 필름을 변형 유도 층으로 사용하였다.
• 관성 대기 분杂 조건 하에서 마이크로맨리플레이터와 폴리카보네이트 전달 기술을 이용해 결정적으로 반데르발스 이종구조(vdWHs)를 조립하였다.
• 냉각기(1–185 K)에서 4점 접촉 직류 전기 전송 측정을 수행하여 열 사이클링 중 전기 저항의 히스테리시스를 모니터링하였다.
• 광학 대비 영상 촬영을 통해 두께와 굴절률 변화를 통해 SCO 전이를 추적하였으며, 냉각 시 약 141 K, 가열 시 약 164.5 K에서 히스테리시스를 관찰하였다.
• WSe2 기반 vdWHs의 광발광(PL) 측정 데이터를 Varshni 법칙과 Rudin-Reinecke-Segall 법칙을 이용해 분석하여 에너지 갭과 피크 폭의 온도 의존성을 모델링하였다.
• 전기적 데이터는 기하학적 변형을 보정하기 위해 기준 온도(T* = 185 K)로 정규화하여 저항 변화(ΔRnorm)를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 코existence 금속 유기 프레임워크는 반데르발스 이종구조 내에서 2차원 물질에 결정적이고 가역적인 변형을 유도할 수 있는가?
• RQ2 SCO 전이가 vdWHs 내 그래핀과 WSe2의 전기적 저항에 미치는 영향은 무엇이며, 그 반응은 히스테리식인가?
• RQ3 SCO-MOF에서 유도된 변형은 WSe2 단일층의 광발광 특성에 어느 정도 조절하는가?
• RQ4 2차원 물질의 변형 유도 변화는 정량화되고 정규화되어 재현 가능한 장치 동작을 가능하게 하는가?

주요 결과

• SCO/FLG vdWH에서 전기 저항에 명백한 히스테리시스 루프를 관찰하였으며, Tc↓ = 140 K와 Tc↑ = 166 K에서 관측되었고, 고립된 FLG에서는 관찰되지 않아 변형 결합이 확인되었다.
• 정규화된 저항 변화(ΔRnorm)는 (2.91 ± 0.13)%에 도달하여 재현 가능하고 측정 가능한 변형 반응임을 시사하였다.
• 저스핀 상태에서의 활성화 에너지(Ea = 1.77 ± 0.02 meV)는 고스핀 상태(Ea = 5.18 ± 0.06 meV)보다 유의미하게 낮아, 서로 다른 전도 메커니즘을 반영한다.
• WSe2 기반 vdWH에서의 광발광은 온도 의존적인 에너지 갭 이동(Varshni 법칙으로 모델링)과 피크 폭의 넓어짐(Rudin-Reinecke-Segall 법칙으로 모델링)을 보이며, 변형 유도 밴드 구조 조절을 확인하였다.
• SCO-MOF는 스핀 전이 시 8%의 부피 변화를 보이며, 2차원 물질로 상당한 격자 변형을 전달할 수 있었다.
• 이 방법은 다수의 열 사이클을 거쳐도 재현 가능하고 결정적인 변형 스위칭이 가능했으며, 얇은(~300 nm) SCO 층에서 안정적인 단일 영역 전파가 관찰되었다.