[论文解读] How the dynamic of photo-induced gate screening complicates the investigation of valley physics in 2D materials

Frank Volmer, Manfred Ersfeld+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

2D Materials and Applications参考文献 39被引用 6

一句话总结

本文表明，六方氮化硼（hBN）封装的二维材料中，光致栅压屏蔽效应会导致栅压依赖测量中出现显著的时间和方向性滞后，使得相同名义栅压下费米能级位置不一致。其主要贡献在于识别出陷阱态充电动力学（尤其是光激发条件下）是谷物理研究中实验伪影的主要来源，从而削弱了光学与电学测量之间跨技术比较的可靠性。

ABSTRACT

An in-depth analysis of valley physics in 2D materials like transition metal dichalcogenides requires the measurement of many material properties as a function of Fermi level position within the electronic band structure. This is normally done by changing the charge carrier density of the 2D material via the gate electric field effect. Here, we show that a comparison of gate-dependent measurements, which were acquired under different measurement conditions can encounter significant problems due to the temporal evolution of the charging of trap states inside the dielectric layer or at its interfaces. The impact of, e.g., the gate sweep direction and the sweep rate on the overall gate dependence gets especially prominent in optical measurements due to photo-excitation of donor and acceptor states. Under such conditions the same nominal gate-voltage may lead to different gate-induced charge carrier densities and, hence, Fermi level positions. We demonstrate that a current flow from or even through the dielectric layer via leakage currents can significantly diminish the gate tunability in optical measurements of 2D materials.

研究动机与目标

• 识别并表征hBN电介质中光致陷阱充电的动态效应，这些效应会损害二维材料的栅压可调性。
• 解释为何相同栅压在不同测量历史和光激发条件下会导致不同的载流子密度和费米能级位置。
• 证明漏电流和时间依赖的屏蔽效应会降低谷电子学实验中光学与电学测量的可靠性。
• 强调在未考虑陷阱态时间演化的情况下，跨不同测量技术比较栅压依赖数据存在风险。
• 为在光激发条件下解释二维材料的栅压依赖测量提供一个框架，尤其关注谷极化动力学的背景。

提出的方法

• 对具有hBN电介质的单层WSe2器件进行栅压依赖的光致发光（PL）光谱测量，以探究不同栅压扫描方向和速率下费米能级的依赖性。
• 同步测量电学转移特性，将栅压与实际载流子密度相关联，并追踪电流-电压响应中的滞后现象。
• 利用时间分辨测量分析光致屏蔽效应的时间演化，揭示其在数分钟内呈现指数弛豫动力学。
• 使用示意图模型说明在栅压和光激发作用下，hBN中施主态的电子向二维材料转移，导致屏蔽不完全及动态费米能级偏移。
• 比较不同测量序列（如TRKR前后）的数据，暴露由陷阱态充电历史引起的不一致性。
• 采用一种模型，即hBN中的陷阱态作为电荷储存库以屏蔽栅电场，光激发可促进更深的电离，从而改变有效电场。

实验结果

研究问题

• RQ1 光激发如何影响hBN封装的二维材料中栅压诱导载流子密度的时间演化？
• RQ2 为何相同栅压在不同测量序列中（尤其涉及光激发时）会导致不同的费米能级位置？
• RQ3 hBN电介质中陷阱态充电动力学在多大程度上损害了谷物理实验中跨技术比较的可靠性？
• RQ4 栅压扫描方向和扫描速率如何影响二维材料光学测量中观察到的栅压依赖性？
• RQ5 通过电介质的漏电流在光学测量中对栅压可调性退化起到何种作用？

主要发现

• 相同名义栅压因hBN中动态陷阱充电而产生显著不同的费米能级位置，具体取决于扫描方向和先前的光激发历史。
• hBN中缺陷态的光激发导致栅电场的时间依赖屏蔽，其弛豫时间可达数分钟。
• 仅在栅压扫描范围的一半内观察到清晰的栅压可调窗口，表明陷阱态填充和屏蔽行为存在强烈不对称性。
• 通过电介质层的漏电流会显著降低有效栅压可调性，尤其在光激发增强陷阱电离的光学测量中更为明显。
• 若未考虑动态屏蔽效应，在同一器件上对不同条件下的电学与光学测量进行比较，可能导致关于谷物理的错误结论。
• 本研究证明，hBN中的陷阱态——无论位于体相、与二维材料的界面，或与基底的界面——均可贡献于动态屏蔽，尽管其确切位置仍存在争议。