[论文解读] Multi-terminal electrical transport measurements of molybdenum disulphide using van der Waals heterostructure device platform

Xu Cui, Gwan‐Hyoung Lee+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

2D Materials and Applications参考文献 51被引用 6

一句话总结

本研究通过六方氮化硼（hBN）封装和栅压可调的石墨烯接触，构建了一种范德华异质结器件平台，实现了少层二硫化钼（MoS2）中高迁移率、多端口电输运测量。该平台在低温下实现了6层MoS2的纪录级霍尔迁移率34,000 cm²/Vs，揭示了以往研究中电子迁移率受限的主要原因并非本征缺陷，而是外部散射——主要来自带电杂质。

ABSTRACT

Atomically thin two-dimensional (2D) semiconductors such as molybdenum disulphide (MoS2) hold great promise in electrical, optical, and mechanical devices and display novel physical phenomena such as coupled spin-valley physics and the valley Hall effect. However, the electron mobility of mono- and few-layer MoS2 has so far been substantially below theoretically predicted limits, particularly at low temperature (T), which has hampered efforts to observe its intrinsic quantum transport behaviors. Potential sources of disorder and scattering include both defects such as sulfur vacancies in the MoS2 itself, and extrinsic sources such as charged impurities and remote optical phonons from oxide dielectrics. To reduce extrinsic scattering and approach the intrinsic limit, we developed a van der Waals (vdW) heterostructure device platform where MoS2 layers are fully encapsulated within hexagonal boron nitride (hBN), and electrically contacted in a multi-terminal geometry using gate-tunable graphene electrodes. Multi-terminal magneto-transport measurements show dramatic improvements in performance, including a record-high Hall mobility reaching 34,000 cm2/Vs for 6-layer MoS2 at low T. Comparison to theory shows a decrease of 1-2 orders of magnitude in the density of charged impurities, indicating that performance at low T in previous studies was limited by extrinsic factors rather than defects in the MoS2. We also observed Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations for the first time in high-mobility monolayer and few-layer MoS2. This novel device platform therefore opens up a new way toward measurements of intrinsic properties and the study of quantum transport phenomena in 2D semiconducting materials.

研究动机与目标

• 为克服低温下少层MoS2中电子迁移率受限的外部散射源。
• 开发一种最小化介电层和接触诱导紊乱的器件平台，以实现本征输运研究。
• 实现在高质量二维半导体（如MoS2）中的多端口磁电输运测量。
• 确定以往MoS2研究中迁移率抑制的主要根源——缺陷还是外部杂质。
• 在单层和少层MoS2中观测本征量子输运现象，如Shubnikov-de Haas振荡。

提出的方法

• 将封装的MoS2纳米片置于两层六方氮化硼（hBN）之间，形成范德华异质结，以最小化介电层和表面散射。
• 采用石墨烯电极作为栅压可调的接触，实现具有精确静电控制的多端口电输运测量。
• 采用多端口霍尔条形几何结构，以高精度测量霍尔迁移率和纵向电阻。
• 在低温（4.2 K）下进行磁电输运测量，以探测量子输运现象。
• 该器件平台旨在将MoS2与环境及基底引起的紊乱（包括带电杂质和远程光学声子）有效隔离。
• 通过理论建模将实测迁移率与杂质密度与预测值进行比较，证实了散射的外部起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，限制少层MoS2中电子迁移率的因素是MoS2晶格中的缺陷，还是环境和介电层中的外部杂质？
• RQ2 采用hBN封装和石墨烯接触的范德华异质结平台是否能显著改善MoS2的电输运性能？
• RQ3 在优化的器件条件下，高迁移率MoS2中是否可观测到本征量子输运现象（如Shubnikov-de Haas振荡）？
• RQ4 介电环境中的带电杂质在多大程度上导致了以往MoS2器件中迁移率的抑制？
• RQ5 所观测到的迁移率提升是否可归因于外部散射的减少，且通过与理论模型的对比得到证实？

主要发现

• 在4.2 K下，6层MoS2实现了34,000 cm²/Vs的纪录级霍尔迁移率，显著高于以往报道结果。
• 首次在高迁移率单层和少层MoS2中观测到Shubnikov-de Haas振荡，证实了朗道能级量子化的存在。
• 实测迁移率的提升对应于带电杂质密度降低1至2个数量级，表明外部散射是迁移率受限的主要因素。
• 理论分析证实，外部来源（尤其是带电杂质）是早期MoS2器件中迁移率抑制的主要原因。
• 范德华异质结平台有效抑制了外部散射，使本征输运特性在二维半导体中得以实现。
• 结果表明，当二维材料被有效封装且接触界面无显著紊乱时，其迁移率可接近理论极限。