[论文解读] Tunneling transport of mono- and few-layers magnetic van der Waals MnPS$_3$

Sungmin Lee, Ki‐Young Choi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2016

2D Materials and Applications被引用 8

一句话总结

本研究利用导电原子力显微镜研究了单层和少层MnPS₃（一种范德华磁性半导体）中的隧穿输运行为。研究识别出肖特基结和弗朗克-诺德海姆隧穿行为，基于有效电子质量0.5 me，估算出隧穿势垒高度为1.31 eV，介电击穿强度为5.41 MV/cm。

ABSTRACT

We have investigated the tunneling transport of mono- and few-layers of MnPS3 by using conductive atomic force microscopy. Due to the band alignment of indium tin oxide/MnPS3/Pt-Ir tip junction, the key features of both Schottky junction and Fowler-Nordheim tunneling (FNT) were observed for all the samples with varying thickness. Using the FNT model and assuming the effective electron mass (0.5 me) of MnPS3, we estimate the tunneling barrier height to be 1.31 eV and the dielectric breakdown strength as 5.41 MV/cm.

研究动机与目标

• 探索原子级厚度MnPS₃（一种磁性范德华半导体）的电输运特性。
• 理解在不同厚度下ITO/MnPS₃/Pt-Ir探针结中的隧穿机制本质。
• 量化二维MnPS₃中的隧穿势垒高度和介电击穿强度。
• 评估能带对齐和有效电子质量在决定隧穿特性中的作用。

提出的方法

• 采用导电原子力显微镜（CAFM）测量单层和少层MnPS₃中的隧穿输运行为。
• 利用ITO/MnPS₃/Pt-Ir探针结构建具有可调偏压的肖特基型异质结。
• 应用弗朗克-诺德海姆隧穿（FNT）模型提取隧穿势垒高度和介电强度。
• 在FNT分析中假设有效电子质量为0.5 me，以估算势垒参数。
• 分析隧穿电流-电压特性，以区分肖特基和FNT区域。
• 从电流突增前的最大电场计算介电击穿强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ITO/MnPS₃/Pt-Ir结中，单层和少层MnPS₃中的主要隧穿机制是什么？
• RQ2 二维MnPS₃中隧穿势垒高度如何随厚度变化？
• RQ3 在高电场下，少层MnPS₃的介电击穿强度是多少？
• RQ4 有效电子质量如何影响MnPS₃中的隧穿输运行为？
• RQ5 异质结界面处的能带对齐在多大程度上影响隧穿行为？

主要发现

• 所有测量样品中，无论厚度如何，均观察到肖特基结和弗朗克-诺德海姆隧穿特征。
• 基于弗朗克-诺德海姆模型和有效电子质量0.5 me，估算出MnPS₃的隧穿势垒高度为1.31 eV。
• MnPS₃的介电击穿强度计算为5.41 MV/cm，表明其在高场下具有优异的稳定性。
• 单层和少层MnPS₃的隧穿输运特性保持一致，表明其电子行为稳定。
• 观测到的FNT行为证实了异质结界面处存在明确的隧穿势垒。
• 结果支持MnPS₃作为具有高介电稳定性的二维自旋电子学和隧穿器件候选材料的潜力。