[論文レビュー] How the dynamic of photo-induced gate screening complicates the investigation of valley physics in 2D materials

Frank Volmer, Manfred Ersfeld+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

2D Materials and Applications参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、六方晶窒化ホウ素（hBN）でキャップされた2次元材料における光誘発ゲートスクリーニングが、ゲート電圧依存測定において顕著な時間的および方向的ヒステリシスを引き起こし、同一の名目上のゲート電圧に対してもフェルミ準位の位置が一貫しないことを示している。主な貢献は、特に光励起下でのトラップ状態の充電ダイナミクスを特定し、バルク物理学研究における実験的アーティファクトの主要因であることを明らかにしたことである。これにより、光学的および電気的測定の間で手法を比較する信頼性が損なわれる。

ABSTRACT

An in-depth analysis of valley physics in 2D materials like transition metal dichalcogenides requires the measurement of many material properties as a function of Fermi level position within the electronic band structure. This is normally done by changing the charge carrier density of the 2D material via the gate electric field effect. Here, we show that a comparison of gate-dependent measurements, which were acquired under different measurement conditions can encounter significant problems due to the temporal evolution of the charging of trap states inside the dielectric layer or at its interfaces. The impact of, e.g., the gate sweep direction and the sweep rate on the overall gate dependence gets especially prominent in optical measurements due to photo-excitation of donor and acceptor states. Under such conditions the same nominal gate-voltage may lead to different gate-induced charge carrier densities and, hence, Fermi level positions. We demonstrate that a current flow from or even through the dielectric layer via leakage currents can significantly diminish the gate tunability in optical measurements of 2D materials.

研究の動機と目的

• hBN誘電体における光誘発トラップ充電の動的効果を同定・特徴づけ、2次元材料におけるゲートチューナビリティを損なう要因を特定すること。
• 同一のゲート電圧が測定履歴や光励起の有無に応じて異なるキャリア密度およびフェルミ準位位置をもたらす理由を説明すること。
• リーク電流および時間依存的スクリーニングがバルクトロニクス実験における光学的および電気的測定の信頼性を低下させることを実証すること。
• トラップ状態の時間的変化を考慮しないまま、異なる測定手法間でゲート依存データを比較するリスクを強調すること。
• 特にバルク極性のダイナミクスを含めた文脈において、光励起下での2次元材料におけるゲート依存測定の解釈フレームワークを提供すること。

提案手法

• hBN誘電体を用いたモノレイヤーWSe2デバイスを対象に、スイープ方向およびスイープ速度を変化させたゲート依存フォトルミネッセンス（PL）分光測定を実施し、フェルミ準位依存性を評価した。
• 電流-電圧応答のヒステリシスを追跡するため、同時に電気的トランスファーキャリアクタリスティクスを測定し、ゲート電圧と実際のキャリア密度の関係を相関させた。
• 時間分解測定を用いて、光誘発スクリーニング効果の時間的変化を分析し、数分にわたる指数的緩和ダイナミクスを明らかにした。
• hBN中のドナー状態から2次元材料への電子移動を模式図で示し、完全なスクリーニングが得られず、フェルミ準位が動的にシフトすることを説明した。
• TRKRの前後でPL測定を実施するなど、異なる測定順序のデータを比較することで、トラップ状態の充電履歴に起因する不一致を暴露した。
• hBN内のトラップ状態が電荷貯蔵源として機能し、ゲート電場をスクリーニングするモデルを採用。光励起によりより深いイオン化が可能になり、有効電場が変化することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光励起は、hBNでカプセル化された2次元材料におけるゲート誘起キャリア密度の時間的変化にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ同一のゲート電圧が、光励起が関与する場合、測定順序によって異なるフェルミ準位位置をもたらすのか？
• RQ3 hBN誘電体内のトラップ状態の充電ダイナミクスが、バルク物理学実験における手法間比較の信頼性をどの程度損なうのか？
• RQ4 ゲート電圧のスイープ方向およびスイープ速度が、2次元材料の光学的測定における観察されるゲート依存性にどのように影響するか？
• RQ5 誘電体を通過するリーク電流は、光励起中におけるゲートチューナビリティの低下にどの程度寄与するか？

主な発見

• 同一の名目上のゲート電圧でも、スイープ方向や事前の光励起履歴に応じてフェルミ準位の位置が著しく異なることが、hBN内の動的トラップ充電に起因する。
• hBNの欠陥状態の光励起は、時間依存的スクリーニングを引き起こし、緩和時間が数分にわたる場合がある。
• 明確なゲートチューナビリティ窓は、ゲート電圧スイープ範囲の半分でのみ観察され、トラップ状態の充填およびスクリーニング行動に顕著な非対称性があることを示している。
• リーク電流は、特に光励起がトラップのイオン化を促進する光学的測定において、有効なゲートチューナビリティを著しく低下させる。
• 異なる条件下で同じデバイスに対して電気的および光学的測定を実施した場合、動的スクリーニング効果を考慮しないと、バルク物理学に関する誤った結論に至る可能性がある。
• 本研究は、hBN内のバルク、2次元材料との界面、基板界面におけるトラップ状態が、いずれも動的スクリーニングに寄与しうることを示したが、その正確な位置については議論の余地がある。