[논문 리뷰] Suppression of magnetoresistance in thin $WTe_2$ flakes by surface oxidation

John M. Woods, Junying Shen외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 18.

Magnetic Field Sensors Techniques참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 얇은 WTe₂ 플레이크에서 표면 산화가 약 ~2 nm 두께의 비정질 산화물 층을 형성하여 질서를 유도하고 운반자 이동도를 감소시켜 큰 자기저항을 억제함을 보여준다. 패피 수준은 약 ~300 meV 이동하지만, 자기저항 억제의 주요 원인은 밴드 굽힘보다는 이동도 열화이다. 이는 2D 물질에서 표면 효과가 매우 중요함을 시사한다.

ABSTRACT

Recent renewed interest in layered transition metal dichalcogenides stems from the exotic electronic phases predicted and observed in the single- and few-layer limit. Realizing these electronic phases requires preserving the desired transport properties down to a monolayer, which is challenging. Here, using semimetallic $WTe_2$ that exhibits large magnetoresistance, we show that surface oxidation and Fermi level pinning degrade the transport properties of thin $WTe_2$ flakes significantly. With decreasing $WTe_2$ flake thickness, we observe a dramatic suppression of the large magnetoresistance. This is explained by fitting a two-band model to the transport data, which shows that mobility of the electron and hole carriers decreases significantly for thin flakes. The microscopic origin of this mobility decrease is attributed to a ~ 2 nm-thick amorphous surface oxide layer that introduces disorder. The oxide layer also shifts the Fermi level by ~ 300 meV at the $WTe_2$ surface. However, band bending due to this Fermi level shift is not the dominant cause for the suppression of magnetoresistance as the electron and hole carrier densities are balanced down to ~ 13 nm based on the two-band model. Our study highlights the critical need to investigate often unanticipated and sometimes unavoidable extrinsic surface effects on the transport properties of layered dichalcogenides and other 2D materials.

연구 동기 및 목표

• 얇은 WTe₂ 플레이크에서 억제된 자기저항의 기원을 조사하는 것.
• 소수층 WTe₂에서 전자 운반성질 열화에 있어 표면 산화의 역할을 규명하는 것.
• 자기저항 억제에 있어 패피 수준의 고정화인지, 운반자 이동도 감소가 주요 인자인지 평가하는 것.
• 표면 산화물 층이 2D 전이 금속 디 chalcogenide에서 운반자 운반에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 2D 물질 성질 연구에서 외재적 표면 효과의 중요성을 강조하는 것.

제안 방법

• 다양한 두께를 가진 기계적 분리된 WTe₂ 플레이크에서 전기적 운반성질 측정을 수행하였다.
• 전기 운반성질 데이터에 이중 밴드 모델을 적합시켜 전자 및 정공의 운반자 농도와 이동도를 추출하였다.
• X선 광전자 분광법(XPS) 및 표면 분석을 통해 약 ~2 nm 두께의 비정질 산화물 층 존재를 확인하였다.
• 이중 밴드 모델을 사용하여 패피 수준 이동을 정량화하고 밴드 굽힘 효과와 비교하였다.
• 플레이크 두께와 자기저항 간의 관계를 체계적으로 분석하였다.
• 이론적 기대와의 비교 및 피팅을 통해 산화물 층에 의한 질서 기여가 이동도 열화에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 산화는 얇은 WTe₂ 플레이크의 자기저항에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 소수층 WTe₂에서 자기저항 억제의 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 표면 산화로 인한 패피 수준 고정화는 운반성질 열화에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 WTe₂ 플레이크 두께는 표면 산화가 운반자 이동도에 미치는 영향에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비정질 산화물 층은 질서를 유도하고 전자적 성질 열화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 얇은 WTe₂ 플레이크 표면에 약 ~2 nm 두께의 비정질 표면 산화물 층이 형성되어 상당한 질서를 유도한다.
• 산화물 층으로 인해 두께가 얇아질수록 전자 및 정공의 운반자 이동도가 크게 감소한다.
• 표면 산화로 인해 WTe₂ 표면에서 패피 수준이 약 ~300 meV 이동한다.
• 패피 수준 이동이 크지만, 밴드 굽힘은 자기저항 억제의 주요 원인이 아니다.
• 자기저항 억제의 주요 원인은 패피 수준 고정화가 아니라 운반자 이동도 열화이다.
• 이 연구는 표면 산화와 같은 외재적 표면 효과가 WTe₂와 같은 2D 물질의 운반성질을 심각하게 열화시킬 수 있음을 입증한다.