[论文解读] Strain Switching in van der Waals Heterostructures triggered by a Spin-Crossover Metal Organic Framework

Carla Boix‐Constant, Víctor García‐López+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

2D Materials and Applications参考文献 43被引用 40

一句话总结

本研究通过将自旋交叉金属-有机框架（SCO-MOF）作为分子应变源，实现了范德华异质结（vdWHs）中确定性的应变切换。SCO-MOF {Fe-(3-Clpyridine)2-[PtII(CN)4]} 在热循环过程中发生8%的体积变化，从而在相邻的二维材料（如石墨烯和WSe2）中引发可逆应变，调控其电子和光电子性质，并在电阻率和光致发光中表现出明显的滞后行为，实现了二维材料中应变电子学的应用。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures (vdWHs) combine different layered materials with properties of interest,1 such as two-dimensional (2D) semimetals, semiconductors, magnets or superconductors. These heterostructures provide the possibility of engineering new materials with emergent functionalities that are not accessible in another way. Beyond inorganic 2D materials, layered molecular materials remain still rather unexplored, with only few examples regarding their isolation as atomically thin-layers. By a proper chemical design, the physical properties of these systems can be tuned, as illustrated by the so-called spin-crossover (SCO) compounds, in which a spin transition can be induced by applying external stimuli like light, temperature, pressure or an electric field. Here, we report on vdWHs formed by SCO layers and few-layers graphene, being its properties modified by the strain concomitant to the spin transition. These molecular/inorganic vdWHs represent the deterministic incorporation of bistable molecular layers with other 2D materials of interest in the emergent field of straintronics.

研究动机与目标

• 开发一种利用分子范德华异质结对二维材料进行确定性应变工程的方法。
• 探索来自自旋交叉金属-有机框架（SCO-MOF）的应变对二维材料电子和光学性质的影响。
• 通过热致自旋交叉转变，展示石墨烯和WSe2中电阻率和光致发光的可逆、滞后调制。
• 建立一类新型功能vdWHs，结合分子双稳态与二维半导体，用于应变电子学和能带工程。

提出的方法

• 使用机械剥离法制备的SCO-MOF {Fe-(3-Clpyridine)2-[PtII(CN)4]} 薄膜作为应变诱导层。
• 在惰性气氛下，利用显微操作仪和聚碳酸酯转移技术，以确定性方式组装范德华异质结（vdWHs）。
• 在低温恒温器（1–185 K）中进行四探针直流电输运测量，以监测热循环过程中电阻率的滞后行为。
• 通过光学对比成像追踪自旋交叉转变，依据厚度和折射率的变化，观察到约141 K（降温）和约164.5 K（升温）的滞后行为。
• 利用Varshni定律和Rudin-Reinecke-Segall定律分析基于WSe2的vdWHs的光致发光（PL）测量，以建模能隙和线宽随温度的变化。
• 将电学数据归一化至参考温度（T* = 185 K），以补偿几何变化并量化电阻变化（ΔRnorm）。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋交叉金属-有机框架是否能在范德华异质结中诱导二维材料的确定性、可逆应变？
• RQ2 SCO转变如何影响vdWHs中石墨烯和WSe2的电学电阻率？该响应是否具有滞后性？
• RQ3 SCO-MOF产生的应变在多大程度上调制了WSe2单层的光致发光性质？
• RQ4 二维材料中的应变诱导变化是否可量化并归一化，以实现可重复的器件操作？

主要发现

• 在SCO/FLG vdWHs中观察到明显的电阻率滞后回线，Tc↓ = 140 K，Tc↑ = 166 K，而孤立的FLG中未见此现象，证实了应变耦合的存在。
• 归一化电阻变化（ΔRnorm）达到（2.91 ± 0.13）%，表明具有可重复且可测量的应变响应。
• 低自旋态下的活化能（Ea = 1.77 ± 0.02 meV）显著低于高自旋态（Ea = 5.18 ± 0.06 meV），反映出不同的输运机制。
• vdWHs中WSe2的光致发光表现出温度依赖的能隙偏移（由Varshni定律建模）和线宽展宽（由Rudin-Reinecke-Segall定律建模），证实了应变诱导的能带结构调制。
• SCO-MOF在自旋转变过程中表现出8%的体积变化，实现了向二维材料的显著晶格应变传递。
• 该方法实现了在多个热循环中可重复、确定性的应变切换，且在薄（~300 nm）SCO层中表现出稳定的单域传播。