[论文解读] Coulomb drag transistor via graphene/MoS2 heterostructures

Youngjo Jin, Min‐Kyu Joo+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Graphene research and applications参考文献 27被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于石墨烯/二硫化钼（MoS2）异质结的新型库仑拖曳晶体管，利用范德华界面处的强层间库仑耦合，通过肖特基势垒实现电子-空穴对复合的抑制。该器件在室温下实现了高迁移率（~3,700 cm²V⁻¹s⁻¹）和高开关比（~10⁸），在电子-电子拖曳区域观测到舒布尼克夫-德哈斯振荡，证明了室温下实用化量子二维异质结器件的可行性。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) heterointerfaces often provide extraordinary carrier transport as exemplified by superconductivity or excitonic superfluidity. Recently, double-layer graphene separated by few-layered boron nitride demonstrated the Coulomb drag phenomenon: carriers in the active layer drag the carriers in the passive layer. Here, we propose a new switching device operating via Coulomb drag interaction at a graphene/MoS2 (GM) heterointerface. The ideal van der Waals distance allows strong coupling of the interlayer electron-hole pairs, whose recombination is prevented by the Schottky barrier formed due to charge transfer at the heterointerface. This device exhibits a high carrier mobility (up to ~3,700 cm^2V^-1s^-1) even at room temperature, while maintaining a high on/off current ratio (~10^8), outperforming those of individual layers. In the electron-electron drag regime, graphene-like Shubnikov-de Haas oscillations are observed at low temperatures. Our Coulomb drag transistor could provide a shortcut for the practical application of quantum-mechanical 2D heterostructures at room temperature.

研究动机与目标

• 开发基于二维范德华异质结中层间库仑拖曳的室温开关器件。
• 通过利用强层间耦合与肖特基势垒抑制复合，克服传统二维异质结的局限性。
• 在单一异质结器件中实现高载流子迁移率与高开关比，以支持实际应用。
• 探索库仑拖曳区域中如舒布尼克夫-德哈斯振荡等量子输运现象。

提出的方法

• 通过理想范德华层间距的石墨烯/MoS2异质结制备器件，以最大化层间库仑耦合。
• 异质结界面处的电荷转移形成肖特基势垒，有效抑制层间电子-空穴对的复合。
• 在低温下进行电输运测量，以观测量子振荡并确认库仑拖曳效应。
• 系统在电子-电子拖曳区域运行，其中被动层中的载流子由主动层的库仑相互作用驱动。
• 通过场效应晶体管结构测量高迁移率，栅压用于调节石墨烯层中的载流子密度。
• 理论建模支持层间耦合与肖特基势垒在稳定拖曳电流中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下基于石墨烯/MoS2异质结实现高性能库仑拖曳晶体管？
• RQ2 异质结界面处的肖特基势垒如何影响层间电子-空穴对的复合与器件工作特性？
• RQ3 由于层间库仑耦合，石墨烯层中的载流子迁移率提升程度如何？
• RQ4 该异质结的库仑拖曳区域中是否可观测到如舒布尼克夫-德哈斯振荡等量子振荡？
• RQ5 在二维异质结器件中，能否在实现高迁移率的同时保持高开关电流比？

主要发现

• 器件在室温下表现出高达~3,700 cm²V⁻¹s⁻¹的载流子迁移率，显著提升了输运性能。
• 实现了约10⁸的开关电流比，表明具备优异的开关能力。
• 在低温下观测到具有电子-电子拖曳特征的舒布尼克夫-德哈斯振荡，证实了相干多体效应的存在。
• 界面电荷转移形成的肖特基势垒有效抑制了层间电子-空穴对的复合。
• 范德华异质结由于最优层间距，实现了强层间库仑耦合。
• 该系统证明了室温下实用化量子二维异质结器件的可行性。