[论文解读] Tunable Chirality-dependent Nonlinear Electrical Responses in 2D Tellurium

Chang Niu, Gang Qiu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本研究展示了二维（2D）碲在门控调控下具有手性依赖性的非线性电响应，其中左旋和右旋手性形式在磁场下表现出相反的自旋极化输运。该工作揭示了非互易纵向输运和非线性平面霍尔效应，其符号反转与手性对称性及自旋-轨道耦合相关，为手性电子学提供了一个平台。

ABSTRACT

Tellurium (Te) is an elemental semiconductor with a simple chiral crystal structure. Te in a two-dimensional (2D) form synthesized by solution-based method shows excellent electrical, optical, and thermal properties. In this work, the chirality of hydrothermally grown 2D Te is identified and analyzed by hot sulfuric acid etching and high-angle tilted high-resolution scanning transmission electron microscopy. The gate-tunable nonlinear electrical responses, including the nonreciprocal electrical transport in the longitudinal direction and the nonlinear planar Hall effect in the transverse direction, are observed in 2D Te under a magnetic field. Moreover, the nonlinear electrical responses have opposite signs in left- and right-handed 2D Te due to the opposite spin polarizations ensured by the chiral symmetry. The fundamental relationship between the spin-orbit coupling and the crystal symmetry in two enantiomers provides a viable platform for realizing chirality-based electronic devices by introducing the chirality degree of freedom into electron transport.

研究动机与目标

• 研究本征手性在二维碲电子输运特性中的作用。
• 探讨手性对称性与自旋-轨道耦合如何影响非线性电响应。
• 在二维Te中展示门控可调、手性依赖的非互易输运与平面霍尔效应。
• 建立一个利用晶体手性作为自由度的手性基电子器件平台。
• 表征左旋与右旋二维Te对映体之间的结构与电子差异。

提出的方法

• 通过水热溶液法合成二维碲，以获得高质量的手性晶体。
• 采用热硫酸蚀刻与大角度倾斜的高分辨扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）识别并确认手性结构。
• 在施加磁场的条件下进行电学测量，以探测非线性输运行为。
• 采用背栅场效应晶体管结构调控载流子密度，并观察门控可调的非线性响应。
• 测量非互易纵向电导与非线性平面霍尔电压，以检测手性依赖效应。
• 通过自旋-轨道耦合将观测到的输运不对称性与手性晶体对称性及自旋极化态相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维碲的本征手性如何影响其在磁场下的非线性电输运？
• RQ2 能否通过静电门控调节二维Te中的非线性电响应？
• RQ3 二维Te中手性晶体对称性与自旋极化输运之间存在何种关系？
• RQ4 左旋与右旋二维Te对映体是否因手性对称性而表现出相反的非线性响应？
• RQ5 在手性二维材料中，自旋-轨道耦合在实现新型电子功能方面可被利用到何种程度？

主要发现

• 左旋与右旋二维碲对映体由于手性对称性与自旋极化作用，其非线性电响应表现出相反符号。
• 门电压调控可调节非线性电导，实现对纵向非互易输运的动态控制。
• 在横向输运中观察到非线性平面霍尔效应，且在相同磁场条件下，对映体之间符号发生反转。
• 高角度倾斜HAADF-STEM成像与热硫酸蚀刻结果共同证实了手性晶体结构，并可区分左旋与右旋形式。
• 所观测效应源于自旋-轨道耦合与手性晶格对称性之间的基本相互作用，从而实现自旋极化输运。
• 结果确立了二维碲作为手性电子学的可行平台，其中晶体手性可作为电子输运中的可调自由度。