[论文解读] Optical readout of the chemical potential of two-dimensional electrons

Zhengchao Xia, Yihang Zeng+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2023

2D Materials and Applications参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的光学读出技术，通过电容耦合的单层半导体传感器，测量二维材料中二维电子的化学势（μ）。通过将传感器的化学势固定在其能带边缘，样品的μ可被光学读出，其直流灵敏度达到约20 μeV/√Hz，从而实现对MoTe2/WSe2莫尔异质结中μ和压缩率的高分辨率测绘，揭示了在调控电场下从莫特绝缘体到电荷转移绝缘体的相变。

ABSTRACT

The chemical potential u of an electron system is a fundamental property of a solid. A precise measurement of u plays a crucial role in understanding the electron interaction and quantum states of matter. However, thermodynamics measurements in micro and nanoscale samples are challenging because of the small sample volume and large background signals. Here, we report an optical readout technique for u of an arbitrary two-dimensional (2D) material. A monolayer semiconductor sensor is capacitively coupled to the sample. The sensor optical response determines a bias that fixes its chemical potential to the band edge and directly reads u of the sample. We demonstrate the technique in AB-stacked MoTe2/WSe2 moire bilayers. We obtain u with DC sensitivity about 20 ueV/sqrt(Hz), and the compressibility and interlayer electric polarization using AC readout. The results reveal a correlated insulating state at the doping density of one hole per moire unit cell, which evolves from a Mott to a charge-transfer insulator with increasing out-of-plane electric field. Furthermore, we image u and quantify the spatial inhomogeneity of the sample. Our work opens the door for high spatial and temporal resolution measurements of the thermodynamic properties of 2D quantum materials.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入式、高分辨率的测量二维电子系统化学势（μ）的方法。
• 克服由于样品体积小和背景信号大而带来的纳米尺度样品热力学测量挑战。
• 实现在二维量子材料中μ及相关热力学性质的时空分辨测绘。
• 探究在可调电场下莫尔异质结中关联绝缘态的演化行为。
• 利用μ的光学读出量化电子系统的空间非均匀性。

提出的方法

• 将单层半导体传感器电容耦合至待研究的二维电子系统。
• 利用传感器的光学响应确定其化学势被固定在能带边缘时的栅压。
• 该固定在传感器中的化学势直接反映下方二维电子系统的化学势。
• 直流测量实现μ的灵敏度约为~20 μeV/√Hz，可实现精确的热力学检测。
• 采用交流读出方法提取压缩率和层间电极化率。
• 该技术被应用于AB堆叠的MoTe2/WSe2莫尔双层结构，以测绘μ和空间非均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在纳米尺度系统中以高空间和时间分辨率测量二维电子的化学势？
• RQ2 在垂直电场变化下，MoTe2/WSe2莫尔异质结中的绝缘态如何演化？
• RQ3 随着电场的调节，绝缘态的性质——是莫特绝缘体还是电荷转移绝缘体——如何变化？
• RQ4 空间非均匀性在多大程度上影响二维莫尔系统中化学势和电子性质？
• RQ5 传感器能带边缘电势的光学读出能否作为样品化学势的定量探测手段？

主要发现

• 该技术实现了μ测量的直流灵敏度约为~20 μeV/√Hz，可实现精确的热力学检测。
• 在MoTe2/WSe2异质结中，每单位莫尔晶胞一个空穴时观察到关联绝缘态。
• 随着垂直电场的增加，绝缘态从莫特绝缘体演化为电荷转移绝缘体。
• 通过交流读出量化了压缩率和层间电极化率，揭示了明显的电子关联行为。
• 直接成像了化学势的空间非均匀性，揭示了电子性质的局域变化。
• 该方法实现了对二维量子材料中热力学性质的高分辨率、非侵入式和定量测绘。