[论文解读] Extraordinary high room-temperature carrier mobility in graphene-WSe$_2$ heterostructures

Luca Banszerus, Thibault Sohier+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Graphene research and applications参考文献 28被引用 22

一句话总结

本研究证明，石墨烯-WSe₂-hBN范德华异质结在室温下实现了高达350,000 cm²/(V·s)的载流子迁移率，较现有最先进的石墨烯/hBN器件高出三倍以上。迁移率的提升源于石墨烯-WSe₂界面处声子能带的改变，这挑战了传统的电子-声子散射模型，并揭示了未被考虑的层间耦合效应。

ABSTRACT

High carrier mobilities play a fundamental role for high-frequency electronics, integrated optoelectronics as well as for sensor and spintronic applications, where device performance is directly linked to the magnitude of the carrier mobility. Van der Waals heterostructures formed by graphene and hexagonal boron nitride (hBN) already outperform all known materials in terms of room temperature mobility. Here, we show that the mobility of today's best graphene/hBN devices can be surpassed by more than a factor of three by heterostructures formed by tungsten diselenide (WSe$_2$), graphene and hBN, which can have mobilities as high as 350,000 cm$^2$/(Vs) at room temperature, and resistivities as low as 15 Ohm. The resistivity of these devices shows a much weaker temperature dependence than the one of graphene on any other known substrate. The origin of this behaviour points to modified acoustic phonon bands in graphene and questions our understanding of electron-phonon scattering in van der Waals heterostructures.

研究动机与目标

• 为克服石墨烯基异质结中室温载流子迁移率的理论上限。
• 研究界面声子工程在增强二维范德华异质结电子输运中的作用。
• 确定WSe₂在石墨烯异质结中是否引起电子-声子散射行为的显著变化。
• 探索WSe₂/Gr/hBN器件中异常高迁移率和低电阻率的起源。
• 评估层间耦合对二维材料中声子色散和电子输运的影响。

提出的方法

• 采用化学气相沉积生长的石墨烯和机械剥离的hBN与WSe₂微小片，通过干法转移技术将其转移到SiO₂/Si基底上，构建背栅霍尔条形几何结构的WSe₂/Gr/hBN异质结。
• 利用横截面扫描透射电子显微镜（STEM）确认界面清洁，并测量石墨烯与WSe₂之间的层间距约为5.3 Å。
• 在2–300 K温度范围内，采用锁相技术在78 Hz频率下进行四端子输运测量，以提取纵向电阻率和霍尔电阻率。
• 通过霍尔效应和量子霍尔效应测量，独立测定双栅器件D1中的载流子浓度和静电耦合。
• 在|n| = 1×10¹¹至1×10¹² cm⁻²范围内，使用σ = neμ + σ₀拟合电导率数据，以提取迁移率和残余电导率。
• 开展从头算计算与理论分析，评估声子能带的改变及电子-声子耦合，尤其关注石墨烯-WSe₂界面处的效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 WSe₂在石墨烯异质结中是否能突破由本征石墨烯中电子-声子散射所设定的迁移率理论上限？
• RQ2 与传统hBN稳定石墨烯器件相比，WSe₂/Gr/hBN异质结中室温载流子迁移率为何显著提升？
• RQ3 石墨烯与WSe₂之间的界面耦合如何改变二维异质结中的声子色散和电子-声子散射？
• RQ4 WSe₂层在导电中起多大作用？其电导是否可通过背栅或顶栅实现静电调控？
• RQ5 为何WSe₂/Gr/hBN器件的电阻率表现出异常微弱的温度依赖性，而其他基底则不具备这一特性？

主要发现

• WSe₂/Gr/hBN异质结实现了创纪录的室温载流子迁移率350,000 cm²/(V·s)，较石墨烯/hBN器件的先前基准值高出三倍以上。
• 器件电阻率最低可达15 Ω，其温度依赖性显著弱于在任何已知基底上的石墨烯器件。
• WSe₂/Gr/hBN器件的纵向电导在电子和空穴掺杂区域均表现出近乎线性行为，与参考hBN/Gr/hBN器件中观察到的饱和行为形成鲜明对比。
• 器件D1中的残余电导率（σ₀）为18 e²/h，表明缺陷浓度低且界面质量高，尽管迁移率极高。
• 理论分析表明，石墨烯-WSe₂界面处存在改性的声学声子能带，可能源于剪切模耦合，但从头算计算未能再现所需的声子软化（ωΓ ~ 50–180 cm⁻¹）。
• 研究结果挑战了对二维异质结中电子-声子散射的传统理解，提示存在尚未被考虑的层间机械耦合效应。