[论文解读] Thickness Dependence of Magneto-transport Properties in Tungsten Ditelluride

Xurui Zhang, Vivek Kakani+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 73被引用 11

一句话总结

本研究调查了机械剥离的WTe2纳米片中厚度依赖的磁输运特性，发现厚度减小会破坏电子-空穴载流子平衡，抑制‘开启’行为和大的正磁阻（MR），同时保持非饱和MR。关键发现包括：厚度依赖的费米面各向异性，多层WTe2表现为电子3D系统，其各向异性随减薄而降低；以及通过肖伯尼科夫-德哈斯振荡揭示的温度敏感电子结构变化。

ABSTRACT

We investigate the electronic structure of tungsten ditelluride (WTe$_2$) flakes with different thicknesses in magneto-transport studies. The temperature-dependent resistance and magnetoresistance (MR) measurements both confirm the breaking of carrier balance induced by thickness reduction, which suppresses the `turn-on' behavior and large positive MR. The Shubnikov-de-Haas oscillation studies further confirm the thickness-dependent change of electronic structure of WTe$_2$ and reveal a possible temperature-sensitive electronic structure change. Finally, we report the thickness-dependent anisotropy of Fermi surface, which reveals that multi-layer WTe$_2$ is an electronic 3D material and the anisotropy decreases as thickness decreases.

研究动机与目标

• 理解WTe2在从体材料到少层结构转变过程中电子结构的演化机制。
• 探究WTe2中‘开启’行为和大正磁阻（MR）的起源及其厚度依赖性。
• 利用角度依赖MR和肖伯尼科夫-德哈斯（SdH）振荡探测多层WTe2中的费米面拓扑结构与各向异性。
• 确定厚度减小是否影响WTe2中的载流子补偿、有效质量和电子维度。

提出的方法

• 对不同厚度（150 nm、20 nm、5 nm）的WTe2纳米片进行了温度依赖电阻（R-T）和磁阻（MR）测量。
• 应用Kohler规则（MR = A(H/R0)^m）对R-T曲线进行归一化处理，以评估载流子补偿和‘开启’行为。
• 开展SdH振荡测量，以提取费米口袋面积、有效质量，并识别费米面拓扑结构的变化。
• 采用两带模型拟合霍尔和MR数据，以提取载流子浓度和迁移率。
• 进行角度依赖MR测量，并应用εθ = (cos⁻²θ + γ⁻²sin⁻²θ)^½进行归一化处理，以提取费米面各向异性参数γ。
• 应用Lifshitz-Kosevich公式分析SdH振荡幅度的温度依赖性，以提取有效质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 厚度减小如何影响WTe2中的‘开启’行为和大正磁阻？
• RQ2 载流子失衡在抑制薄WTe2纳米片中‘开启’效应和大MR中起什么作用？
• RQ3 在多层WTe2中，随着厚度减小，费米面拓扑结构和各向异性如何演化？
• RQ4 SdH振荡行为是否表明温度会引起WTe2中电子结构的变化？
• RQ5 WTe2是否可视为有效的3D电子系统？其费米面各向异性如何随厚度变化？

主要发现

• 与费米液体态和载流子补偿相关的‘开启’行为在更薄的WTe2中被抑制，这是由于载流子平衡减弱所致，20 nm样品的m = 1.69，而150 nm样品的m = 1.8。
• 所有厚度下均保持非饱和正磁阻，但其大小被抑制（例如，最大MR从体材料的~13,000,000%降至~1,200%），表明载流子补偿不完善。
• SdH振荡揭示了费米面的显著变化：在厚样品（150 nm）中存在一个γ口袋（AF = 0.0178 Å⁻²），而在薄样品（20 nm）中消失，并出现一个新的δ口袋（AF = 0.008 Å⁻²）。
• 随着厚度减小，有效质量从mα = 0.393 me降至mα = 0.301 me，表明封装的20 nm纳米片中载流子迁移率增强。
• 费米面各向异性参数γ从厚样品（150 nm）的8.08降至薄样品（20 nm）的2.28，表明3D特征增强且各向异性随减薄而降低。
• 在薄WTe2中，温度依赖的SdH振荡在高于0.02 K时显示出双峰分裂，表明自旋-轨道耦合可能被温度破坏，可能存在帕申-巴克效应。