[论文解读] Temperature dependent resistivity in the doped two dimensional metallic phase of mTMD bilayers

Seongjin Ahn, S. Das Sarma|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

2D Materials and Applications参考文献 20被引用 5

一句话总结

本文提出，掺杂的二维二硫化钼基过渡金属二硒化物（mTMD）双层材料中实验观测到的线性T依赖电阻率，源于受抑制电荷杂质的温度依赖性屏蔽，而非量子临界性或非费米液体行为。通过有限温度RPA屏蔽和玻尔兹曼输运理论，作者表明，屏蔽库仑势中温度依赖的弗里德尔振荡导致电阻率随温度线性增加，定量匹配实验数据，并将金属-绝缘体转变归因于无序而非强关联效应。

ABSTRACT

Two recent experiments from Cornell and Columbia have reported insulator-to-metal transitions in two-dimensional (2D) moir\'e transition metal dichalcogenides (mTMD) induced by doping around half-filling, where the system is a Mott insulator. In the current work, we consider the temperature dependent resistivity of this metallic phase in the doped situation away from half-filling, arguing that it arises from the strongly temperature dependent 2D Friedel oscillations (i.e. finite momentum screening) associated with random quenched charged impurities, leading to the observed strongly increasing linear-in-$T$ resistivity in the metallic phase. Our theory appears to account for the temperature-dependent metallic resistivity for doping around half-filling of the effective moir\'e TMD band, showing that temperature-dependent screened Coulomb disorder is an essential ingredient of doped 2D mTMD physics.

研究动机与目标

• 解释在接近半满时掺杂mTMD双层材料中观测到的异常线性T依赖电阻率，该现象与标准费米液体预期相矛盾。
• 研究在掺杂mTMD体系中观测到的金属-绝缘体转变（MIT）是由强关联还是由无序诱导的局域化所驱动。
• 证明温度依赖的电荷杂质屏蔽可定量再现实验测量的金属相中线性T依赖电阻率。
• 挑战将掺杂金属相解释为非费米液体或量子临界态的观点，提出基于无序的机制。

提出的方法

• 使用德鲁德公式计算电阻率，ρ(T) = m / (ne²τ(T))，其中散射时间τ(T)具有温度依赖性。
• 通过玻尔兹曼输运理论计算τ(T)，对电子能量和动量进行积分，并引入温度依赖的散射率。
• 利用RPA有限温度介电函数ϵ(q, T)对电子与随机电荷杂质之间的屏蔽库仑势进行建模。
• 引入从零温二维极化率推导出的有限温度极化率Π(q, T)，考虑热展宽效应。
• 采用无序散射的一阶Born近似评估输运时间：1/τ(εk) = 2πni/ℏ ∑k′ |ui(k−k′)|² (1−cosθ) δ(εk−εk′)。
• 处理有效质量m = 0.45mₑ和载流子密度n = nT − nM，其中nM = 5×10¹² cm⁻²对应于半满填充。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何mTMD双层材料掺杂金属相中的电阻率随温度线性增加，与费米液体预期的T²依赖性相反？
• RQ2 在掺杂mTMD体系中观测到的金属-绝缘体转变是否由强电子关联驱动，还是由无序效应引起？
• RQ3 温度依赖的电荷杂质屏蔽是否足以解释观测到的线性T电阻率，而无需引入非费米液体或量子临界行为？
• RQ4 被冻结的随机电荷杂质在诱导局域化及mTMD双层材料中表观金属-绝缘体转变中起何作用？

主要发现

• 该理论仅通过温度依赖的屏蔽库仑无序，即成功再现了掺杂mTMD双层材料金属相中实验观测到的线性T依赖电阻率。
• 电阻率随温度线性增加，源于屏蔽波矢的温度依赖性以及由此产生的无序势中的弗里德尔振荡。
• 散射率超过温度本身，表明存在柏拉图极限耗散，与实验观测一致。
• 该模型预测，样品越洁净，其金属相范围越大，且MIT临界掺杂浓度越低；而样品越脏，则金属窗口越小，与实验趋势一致。
• 本研究得出结论：mTMD双层材料中掺杂诱导的金属-绝缘体转变主要由库仑无序驱动，而非强关联效应。