[논문 리뷰] Two-dimensional Mott variable-range hopping transport in a disordered MoS$_2$ nanoflake

Jianhong Xue, Shaoyun Huang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 26.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 전기적 및 자화전도측정을 통해 무질서한 MoS₂ 나노플레이크에서의 이중차원 Mott 변수거리도약(2D Mott VRH) 전도를 조사한다. 낮은 온도에서 전도도는 log₁₀G ∝ −T⁻¹ᐟ³ 의존성과 2차 자화전도도 ∼αB² 를 보이며, α ∼ T⁻¹ 이다. 이는 절연 상태에서 2D Mott VRH가 지배적인 전도 메커니즘임을 확인한다.

ABSTRACT

The transport characteristics of a disordered MoS$_2$ nanoflake in the insulator regime are studied by electrical and magnetotransport measurements. The layered MoS$_2$ nanoflake is exfoliated from a bulk MoS$_2$ crystal and the conductance $G$ and magnetoresistance are measured in a four-probe setup over a wide range of temperatures. At high temperatures, we observe that $\log_{10}G$ exhibits a $-T^{-1}$ temperature dependence and the transport in the nanoflake dominantly arises from thermal activation. At low temperatures, where the transport in the nanoflake dominantly takes place via variable-range hopping (VRH) processes, we observe that $\log_{10}G$ exhibits a $-T^{-1/3}$ temperature dependence, an evidence for the two-dimensional (2D) Mott VRH transport. The measured low-field magnetoresistance of the nanoflake in the insulator regime exhibits a quadratic magnetic field dependence $\sim αB^2$ with $α\sim T^{-1}$, fully consistent with the 2D Mott VRH transport in the nanoflake.

연구 동기 및 목표

• 무질서한 MoS₂ 나노플레이크에서의 저온 전도 메커니즘을 조사하기 위해.
• 절연 상태에서 변수거리도약(VRH)이 지배적인가를 판단하기 위해.
• 전도도의 온도 및 자기장 의존성으로부터 VRH 과정의 차원성을 규명하기 위해.
• 실험 데이터가 2D Mott VRH에 대한 이론 예측과 일치하는가를 검증하기 위해.

제안 방법

• 넓은 온도 범위에서 4점 전도측정을 수행하여 전도도 G 를 추출하였다.
• 온도 의존 전도도 분석을 통해 2D Mott VRH의 특징적인 스케일링 행동 log₁₀G ∝ −T⁻¹ᐟ³ 를 확인하였다.
• 저자기장 영역에서 자화전도도를 측정하여 자기장 의존성 ∼αB² 과 α ∼ T⁻¹ 이 되는지 평가하였다.
• 이론적 모델과 2D Mott VRH 모델을 비교하여 전도 메커니즘을 확인하였다.
• 외부 무질서를 최소화하고 본질적인 전도 성질을 확보하기 위해 기계적 분리된 MoS₂ 나노플레이크를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무질서한 MoS₂ 나노플레이크의 절연 상태에서 전도도가 2D Mott 변수거리도약 스케일링을 따르는가?
• RQ2 저온에서 전도도의 온도 의존성은 어떻게 되며, 예측된 T⁻¹ᐟ³ 행동과 일치하는가?
• RQ3 관측된 자화전도도는 2D Mott VRH 모델과 일치하는가?
• RQ4 MoS₂ 나노플레이크에서 VRH 과정의 차원성은 무엇인가?

주요 결과

• 저온에서 log₁₀G 는 T⁻¹ᐟ³ 의존성을 보이며, 이는 이중차원 Mott 변수거리도약 전도가 확인됨을 의미한다.
• 저자기장 영역에서의 자화전도도는 2차 자기장 의존성 ∼αB² 를 보이며, α ∼ T⁻¹ 이다. 이는 2D Mott VRH와 일치한다.
• 고온에서는 전도도가 T⁻¹ 의존성을 보이며, 이는 열활성화가 지배적인 메커니즘임을 나타낸다.
• 관측된 스케일링 행동과 자화전도도는 무질서 시스템에서 2D Mott VRH에 대한 이론 예측과 완전히 일치한다.