[论文解读] Suppression of magnetoresistance in thin $WTe_2$ flakes by surface oxidation

John M. Woods, Junying Shen+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2016

Magnetic Field Sensors Techniques参考文献 1被引用 9

一句话总结

本研究表明，薄层WTe₂的表面氧化通过形成约2 nm厚的非晶氧化物层，抑制了其巨大的磁阻效应，该氧化物层引入了紊乱并降低了载流子迁移率。费米能级发生约300 meV的偏移，但磁阻抑制的主要原因是迁移率下降，而非能带弯曲，凸显了二维材料中表面效应的关键作用。

ABSTRACT

Recent renewed interest in layered transition metal dichalcogenides stems from the exotic electronic phases predicted and observed in the single- and few-layer limit. Realizing these electronic phases requires preserving the desired transport properties down to a monolayer, which is challenging. Here, using semimetallic $WTe_2$ that exhibits large magnetoresistance, we show that surface oxidation and Fermi level pinning degrade the transport properties of thin $WTe_2$ flakes significantly. With decreasing $WTe_2$ flake thickness, we observe a dramatic suppression of the large magnetoresistance. This is explained by fitting a two-band model to the transport data, which shows that mobility of the electron and hole carriers decreases significantly for thin flakes. The microscopic origin of this mobility decrease is attributed to a ~ 2 nm-thick amorphous surface oxide layer that introduces disorder. The oxide layer also shifts the Fermi level by ~ 300 meV at the $WTe_2$ surface. However, band bending due to this Fermi level shift is not the dominant cause for the suppression of magnetoresistance as the electron and hole carrier densities are balanced down to ~ 13 nm based on the two-band model. Our study highlights the critical need to investigate often unanticipated and sometimes unavoidable extrinsic surface effects on the transport properties of layered dichalcogenides and other 2D materials.

研究动机与目标

• 研究薄层WTe₂中磁阻效应被抑制的起源。
• 确定表面氧化在劣化少层WTe₂电子输运特性中的作用。
• 评估费米能级钉扎与载流子迁移率降低在磁阻抑制中何者占主导地位。
• 量化表面氧化层对二维过渡金属二硫属化物中载流子输运的影响。
• 强调在研究二维材料特性时，表面等外在效应的重要性。

提出的方法

• 对不同厚度的机械剥离WTe₂薄片进行了输运测量。
• 采用双带模型拟合电输运数据，以提取电子和空穴的载流子密度与迁移率。
• 利用X射线光电子能谱（XPS）和表面分析确认了2 nm厚非晶氧化物层的存在。
• 通过双带模型量化费米能级偏移，并与能带弯曲效应进行比较。
• 系统分析了薄片厚度与磁阻之间的关系。
• 通过拟合与理论预期的对比，评估了氧化物层引入的无序对迁移率降低的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面氧化如何影响薄层WTe₂的磁阻效应？
• RQ2 在少层WTe₂中，磁阻抑制的主导物理机制是什么？
• RQ3 由于表面氧化导致的费米能级钉扎在输运劣化中占多大程度？
• RQ4 WTe₂薄片的厚度在多大程度上影响表面氧化对载流子迁移率的影响？
• RQ5 非晶氧化物层在引入无序并劣化电子特性方面起什么作用？

主要发现

• 在薄层WTe₂中形成了一层约2 nm厚的非晶表面氧化物层，引入了显著的无序。
• 由于氧化物层的影响，电子和空穴的载流子迁移率在更薄的样品中显著降低。
• 由于表面氧化，WTe₂表面的费米能级发生约300 meV的偏移。
• 尽管费米能级偏移显著，但能带弯曲并非磁阻抑制的主要原因。
• 磁阻抑制主要由载流子迁移率降低引起，而非费米能级钉扎。
• 本研究表明，外在表面效应，尤其是氧化，会显著劣化如WTe₂等二维材料的输运特性。