[논문 리뷰] Surface transport and band gap structure of exfoliated 2H-MoTe$_2$ crystals

Ignacio Gutiérrez Lezama, Alberto Ubaldini외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 04.

2D Materials and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 이온 액체 게이팅 트랜지스터와 다중 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 에폭스된 2H-MoTe₂ 결정의 표면 전도도 및 금속 간극 특성을 조사한다. 실온에서 양극성 전도도를 재현 가능하게 관측하였으며, 정공 및 전자 이동도는 각각 10–30 cm²/Vs이었고, 간접 금속 간극은 0.88 eV, 직접 금속 간극은 1.02 eV로 측정되어, MoTe₂가 단일층 두께에 도달하기 이전에 직접 금속 간극으로 전이될 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) have emerged as materials that can be used to realize two-dimensional (2D) crystals possessing rather unique transport and optical properties. Most research has so far focused on sulfur and selenium compounds, while tellurium-based materials attracted little attention so far. As a first step in the investigation of Te-based semiconducting TMDs in this context, we have studied MoTe$_2$ crystals with thicknesses above 4 nm, focusing on surface transport and a quantitative determination of the gap structure. Using ionic-liquid gated transistors, we show that ambipolar transport at the surface of the material is reproducibly achieved, with hole and electron mobility values between 10 and 30 cm$^2$/Vs at room temperature. The gap structure is determined through three different techniques: ionic-liquid gated transistors and scanning tunneling spectroscopy, that allow the measurement of the indirect gap ($E_{ind}$), and optical transmission spectroscopy on crystals of different thickness, that enables the determination of both the direct ($E_{dir}$) and the indirect gap. We find that at room temperature $E_{ind}$ = 0.88 eV and $E_{dir}$ = 1.02 eV. Our results suggest that thin MoTe$_2$ layers may exhibit a transition to a direct gap before mono-layer thickness. They should also drastically extend the range of direct gaps accessible in 2D semiconducting TMDs.

연구 동기 및 목표

• 황과 셀레늄 유사체에 비해 덜 주목받아온 텔루르 기반 전이 금속 디chalcoogen화합물(TMDs)인 2H-MoTe₂의 전자 전도도 및 밴드 구조를 탐색하기 위해.
• 4 nm 이상 두께의 에폭스된 MoTe₂ 결정의 표면 전도 특성을 규명하기 위해.
• 다양한 상호보완적 기법을 사용하여 MoTe₂의 직접 및 간접 금속 간극을 정량적으로 측정하기 위해.
• 두께가 얇아지는 동안 얇은 MoTe₂ 층이 직접 금속 간극을 나타낼 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 4 nm 이상 두께의 에폭스된 2H-MoTe₂ 결정을 사용하여 이온 액체 게이팅 트랜지스터를 제작하여 표면 전도도를 탐색하였다.
• 이온 액체 게이팅을 통해 표면 도핑을 실현하고 실온에서 양극성 전도도 거동을 측정하였다.
• 간접 금속 간극(E_ind) 측정을 위해 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피(STS)를 사용하였다.
• 다양한 두께의 MoTe₂ 플레이크에 대해 광학 투과 스펙트로스코피를 수행하여 직접(E_dir) 및 간접(E_ind) 금속 간극을 추출하였다.
• 게이팅 트랜지스터, STS 및 광학 스펙트로스코피의 결과를 통합하여 금속 간극 값의 상호검증과 두께에 따른 전자 구조 전이를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에폭스된 2H-MoTe₂ 결정의 실온에서의 표면 전도 특성은 어떠한가?
• RQ2 이온 액체 게이팅 트랜지스터와 스캐닝 터널링 스펙트로스코피로 측정한 2H-MoTe₂의 간접 금속 간극(E_ind)의 크기는 얼마인가?
• RQ3 MoTe₂의 직접 금속 간극(E_dir)은 얼마이며, 광학 투과 스펙트로스코피를 통해 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 MoTe₂는 전자 구조적 고려에 따라 단일층 두께에 도달하기 이전에 직접 금속 간극으로 전이되는가?

주요 결과

• 실온에서 정공 및 전자 이동도가 각각 10~30 cm²/Vs인 2H-MoTe₂에서 재현 가능한 양극성 전도도가 관측되었다.
• 이온 액체 게이팅 트랜지스터와 스캐닝 터널링 스펙트로스코피를 통해 2H-MoTe₂의 간접 금속 간극(E_ind)이 0.88 eV로 결정되었다.
• 다양한 두께의 플레이크에 대해 광학 투과 스펙트로스코피를 사용하여 직접 금속 간극(E_dir)이 1.02 eV로 측정되었다.
• 결과는 얇은 MoTe₂ 층이 단일층 두께에 도달하기 이전에 직접 금속 간극으로 전이될 수 있으며, 이는 소수층 2차원 반도체에서 직접 금속 간극 행동의 잠재성을 시사한다.
• 본 연구는 MoTe₂가 전통적인 황과 셀레늄 화합물 이외의 영역에서 접근 가능한 직접 금속 간극의 범위를 확장함을 보여주었다.
• 게이팅 트랜지스터, STS 및 광학 스펙트로스코피의 세 가지 독립적 기법 간의 금속 간극 값 일관성은 측정된 전자적 특성의 신뢰성을 확인한다.