[논문 리뷰] Tunneling transport of mono- and few-layers magnetic van der Waals MnPS$_3$

Sungmin Lee, Ki‐Young Choi외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 12.

2D Materials and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 도핑되지 않은 산화인듐주니크스(Indium Tin Oxide, ITO) 및 백금팔라듐-이리디움(Platinum-Iridium, Pt-Ir) 피크를 갖는 단층 및 소수층 MnPS₃에서 전도성 원자력현미경(CAFM)을 이용하여 터널링 전송 특성을 연구한다. 연구에서는 슈트케이 접합과 풀러-노이만 터널링 행동을 모두 확인하였으며, 효율적 전자 질량 0.5 me를 사용하여 터널링 장벽 높이를 1.31 eV로 추정하고, 유전체 파손 강도를 5.41 MV/cm로 추정하였다.

ABSTRACT

We have investigated the tunneling transport of mono- and few-layers of MnPS3 by using conductive atomic force microscopy. Due to the band alignment of indium tin oxide/MnPS3/Pt-Ir tip junction, the key features of both Schottky junction and Fowler-Nordheim tunneling (FNT) were observed for all the samples with varying thickness. Using the FNT model and assuming the effective electron mass (0.5 me) of MnPS3, we estimate the tunneling barrier height to be 1.31 eV and the dielectric breakdown strength as 5.41 MV/cm.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 MnPS₃, 즉 자기적 반데르발스 반도체의 전기적 전송 특성을 탐구하기 위해.
• 다양한 두께에서 ITO/MnPS₃/Pt-Ir 피크 접합에서의 터널링 메커니즘의 성격을 이해하기 위해.
• 이중차원 MnPS₃에서의 터널링 장벽 높이와 유전체 파손 강도를 정량화하기 위해.
• 밴드 정렬과 효율적 전자 질량이 터널링 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 단층 및 소수층 MnPS₃에서의 터널링 전송 특성을 측정하기 위해 전도성 원자력현미경(CAFM)을 사용하였다.
• 조절 가능한 전압을 가진 슈트케이 유사 이종접합을 형성하기 위해 ITO/MnPS₃/Pt-Ir 피크 접합을 사용하였다.
• 터널링 장벽 높이와 유전체 강도를 추출하기 위해 풀러-노이만 터널링(Fowler-Nordheim tunneling, FNT) 모델을 적용하였다.
• FNT 분석에서 효율적 전자 질량 0.5 me를 가정하여 장벽 파rameter를 추정하였다.
• 터널링 전류-전압 특성을 분석하여 슈트케이 및 FNT 영역를 구분하였다.
• 전류 급증 이전의 최대 전기장으로부터 유전체 파손 강도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ITO/MnPS₃/Pt-Ir 접합에서 단층 및 소수층 MnPS₃에서 지배적인 터널링 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 이중차원 MnPS₃에서 두께에 따라 터널링 장벽 높이는 어떻게 변화하나요?
• RQ3 고전기장 하에서 소수층 MnPS₃의 유전체 파손 강도는 얼마인가요?
• RQ4 효율적 전자 질량은 MnPS₃에서의 터널링 전송에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 이종접합에서의 밴드 정렬은 터널링 거동에 어느 정도의 영향을 미치나요?

주요 결과

• 모든 측정 샘플에서 두께에 관계없이 슈트케이 접합 및 풀러-노이만 터널링 특성이 관찰되었다.
• 풀러-노이만 모델과 효율적 전자 질량 0.5 me를 사용하여 MnPS₃의 터널링 장벽 높이를 1.31 eV로 추정하였다.
• MnPS₃의 유전체 파손 강도는 5.41 MV/cm로 계산되어 고전기장 하에서도 높은 내구성을 나타낸다.
• 단층 및 소수층 MnPS₃에서 터널링 전송 특성이 일관되게 유지되어 안정된 전자적 거동을 나타낸다.
• 관찰된 FNT 행동은 이종접합 표면에서 잘 정의된 터널링 장벽 존재를 확인한다.
• 결과는 MnPS₃가 높은 유전체 안정성을 지닌 2D 스핀트로닉스 및 터널링 장치의 후보로 가능성을 지닌다.