[论文解读] Exceptional electronic transport and quantum oscillations in thin bismuth crystals grown inside van der Waals materials

Laisi Chen, Amy X. Wu+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 55被引用 5

一句话总结

本研究提出一种范德华（vdW）模压技术，用于在六方氮化硼（hBN）层内外延生长超平整、厚度小于10 nm的铋晶体，实现强量子限制，从而分离罗施巴表面态。该方法展现出优异的电子输运性能，首次观测到来自（111）表面态朗道能级的肖伯尼科夫-德哈斯量子振荡，以及来自上下两个表面的多载流子振荡，且其朗道能级分裂可通过栅压调控。

ABSTRACT

Confining materials to two-dimensional forms changes the behavior of electrons and enables new devices. However, most materials are challenging to produce as uniform thin crystals. Here, we present a new synthesis approach where crystals are grown in a nanoscale mold defined by atomically-flat van der Waals (vdW) materials. By heating and compressing bismuth in a vdW mold made of hexagonal boron nitride (hBN), we grow ultraflat bismuth crystals less than 10 nanometers thick. Due to quantum confinement, the bismuth bulk states are gapped, isolating intrinsic Rashba surface states for transport studies. The vdW-molded bismuth shows exceptional electronic transport, enabling the observation of Shubnikov-de Haas quantum oscillations originating from the (111) surface state Landau levels, which have eluded previous studies. By measuring the gate-dependent magnetoresistance, we observe multi-carrier quantum oscillations and Landau level splitting, with features originating from both the top and bottom surfaces. Our vdW-mold growth technique establishes a platform for electronic studies and control of bismuth's Rashba surface states and topological boundary modes. Beyond bismuth, the vdW-molding approach provides a low-cost way to synthesize ultrathin crystals and directly integrate them into a vdW heterostructure.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，用于合成厚度可控、均匀的超薄铋晶体。
• 通过量子限制抑制体相导电，实现对铋中本征罗施巴表面态的分离与探测。
• 实现在二维铋中高分辨率电子输运测量，以观测来自表面态的量子振荡。
• 展示将超薄铋直接集成到范德华异质结构中，为未来二维电子器件提供可能。

提出的方法

• 利用原子级平整的六方氮化硼（hBN）层作为纳米模具，限制铋的外延生长。
• 在hBN夹层中对铋进行加热并施加高压，形成超平整、厚度小于10 nm的晶体。
• 二维几何结构中的量子限制在体相态中打开能隙，从而将罗施巴表面态与体相导电分离。
• 通过栅压依赖的磁阻测量，探测朗道能级量化及多载流子行为。
• 利用高分辨透射电子显微镜和X射线衍射，确认晶体结构与厚度。
• vdW模压异质结构可通过上下电极直接实现对表面态的电学接触。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用范德华材料作为纳米模具，生长出超薄、均匀的铋晶体？
• RQ2 在二维铋中，量子限制是否能抑制体相导电并分离罗施巴表面态？
• RQ3 能否在实验中观测到来自（111）表面态朗道能级的肖伯尼科夫-德哈斯量子振荡？
• RQ4 栅压与磁场如何影响二维铋中朗道能级的分裂及多载流子输运行为？
• RQ5 该vdW模压技术是否可推广至其他材料，用于二维异质结构的集成？

主要发现

• 成功利用vdW模压技术在hBN中生长出厚度小于10 nm的超薄铋晶体。
• 量子限制在体相态中诱导出能隙，将罗施巴表面态与体相导电有效分离。
• 首次观测到来自（111）表面态朗道能级的肖伯尼科夫-德哈斯量子振荡。
• 栅压依赖的磁阻测量揭示了来自上下两个表面的多载流子量子振荡，具有明显不同的特征。
• 成功分辨朗道能级分裂，表明存在强自旋-轨道耦合及表面态各向异性。
• vdW模压方法实现了将超薄铋直接集成到范德华异质结构中，为电子学研究提供了可能。