[论文解读] Surface transport and band gap structure of exfoliated 2H-MoTe$_2$ crystals

Ignacio Gutiérrez Lezama, Alberto Ubaldini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2014

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本研究通过离子液体栅场效应晶体管和多种光谱技术，探究了机械剥离的2H-MoTe₂晶体的表面输运性质与带隙特性。研究报道了室温下的双极性输运行为，空穴与电子迁移率分别为10–30 cm²/Vs，并测得间接带隙为0.88 eV，直接带隙为1.02 eV，表明MoTe₂可能在单层厚度之前即发生直接带隙转变。

ABSTRACT

Semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) have emerged as materials that can be used to realize two-dimensional (2D) crystals possessing rather unique transport and optical properties. Most research has so far focused on sulfur and selenium compounds, while tellurium-based materials attracted little attention so far. As a first step in the investigation of Te-based semiconducting TMDs in this context, we have studied MoTe$_2$ crystals with thicknesses above 4 nm, focusing on surface transport and a quantitative determination of the gap structure. Using ionic-liquid gated transistors, we show that ambipolar transport at the surface of the material is reproducibly achieved, with hole and electron mobility values between 10 and 30 cm$^2$/Vs at room temperature. The gap structure is determined through three different techniques: ionic-liquid gated transistors and scanning tunneling spectroscopy, that allow the measurement of the indirect gap ($E_{ind}$), and optical transmission spectroscopy on crystals of different thickness, that enables the determination of both the direct ($E_{dir}$) and the indirect gap. We find that at room temperature $E_{ind}$ = 0.88 eV and $E_{dir}$ = 1.02 eV. Our results suggest that thin MoTe$_2$ layers may exhibit a transition to a direct gap before mono-layer thickness. They should also drastically extend the range of direct gaps accessible in 2D semiconducting TMDs.

研究动机与目标

• 探索碲基过渡金属二硫属化合物（TMDs）的电子输运与能带结构，特别是相较于S和Se类似物研究较少的2H-MoTe₂。
• 确定厚度大于4 nm的机械剥离MoTe₂晶体的表面输运特性。
• 利用多种互补技术定量测量MoTe₂的直接与间接带隙。
• 评估薄层MoTe₂实现直接带隙的潜力，这将扩展二维半导体TMDs中可访问的直接带隙范围。

提出的方法

• 采用厚度大于4 nm的机械剥离2H-MoTe₂晶体，制备离子液体栅场效应晶体管，以探测表面输运行为。
• 利用离子液体栅场效应实现静电掺杂，并在室温下测量双极性输运特性。
• 采用扫描隧道显微谱学（STS）测量MoTe₂的间接带隙（E_ind）。
• 对不同厚度的MoTe₂纳米片进行光学透射光谱测量，以提取直接（E_dir）和间接（E_ind）带隙。
• 综合栅场效应晶体管、STS与光学光谱学结果，交叉验证带隙数值，并评估厚度相关的电子跃迁行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 机械剥离的2H-MoTe₂晶体在室温下的表面输运特性是什么？
• RQ2 通过离子液体栅场效应晶体管与扫描隧道显微谱学测得的2H-MoTe₂的间接带隙（E_ind）大小是多少？
• RQ3 MoTe₂的直接带隙（E_dir）是多少？其随厚度的变化关系如何，由光学透射光谱学确定？
• RQ4 如其电子结构所示，MoTe₂是否在达到单层厚度之前即发生向直接带隙的转变？

主要发现

• 在室温下，机械剥离的2H-MoTe₂中可重复观测到双极性输运行为，空穴与电子迁移率范围为10至30 cm²/Vs。
• 通过离子液体栅场效应晶体管与扫描隧道显微谱学测得，2H-MoTe₂的间接带隙（E_ind）为0.88 eV。
• 通过光学透射光谱学对不同厚度的MoTe₂纳米片测量，直接带隙（E_dir）为1.02 eV。
• 结果表明，薄层MoTe₂可能在达到单层厚度之前即发生向直接带隙的转变，表明少层二维半导体可能表现出直接带隙行为。
• 本研究证实，MoTe₂可将二维半导体TMDs中可访问的直接带隙范围扩展至传统S和Se化合物之外。
• 三种独立技术（栅场效应晶体管、STS与光学光谱学）测得的带隙值高度一致，证实了所测电子性质的可靠性。