[论文解读] Two-dimensional Mott variable-range hopping transport in a disordered MoS$_2$ nanoflake

Jianhong Xue, Shaoyun Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 7

一句话总结

本研究通过电学和磁电输运测量，探究了非晶MoS₂纳米薄片中的二维莫特可变范围跳跃（2D Mott VRH）输运。在低温下，电导率表现出 log₁₀G ∝ −T⁻¹ᐟ³ 的依赖关系，以及与 αB² 成比例的二次磁阻，其中 α ∼ T⁻¹，证实了在绝缘态下二维莫特VRH是主导输运机制。

ABSTRACT

The transport characteristics of a disordered MoS$_2$ nanoflake in the insulator regime are studied by electrical and magnetotransport measurements. The layered MoS$_2$ nanoflake is exfoliated from a bulk MoS$_2$ crystal and the conductance $G$ and magnetoresistance are measured in a four-probe setup over a wide range of temperatures. At high temperatures, we observe that $\log_{10}G$ exhibits a $-T^{-1}$ temperature dependence and the transport in the nanoflake dominantly arises from thermal activation. At low temperatures, where the transport in the nanoflake dominantly takes place via variable-range hopping (VRH) processes, we observe that $\log_{10}G$ exhibits a $-T^{-1/3}$ temperature dependence, an evidence for the two-dimensional (2D) Mott VRH transport. The measured low-field magnetoresistance of the nanoflake in the insulator regime exhibits a quadratic magnetic field dependence $\sim αB^2$ with $α\sim T^{-1}$, fully consistent with the 2D Mott VRH transport in the nanoflake.

研究动机与目标

• 研究非晶MoS₂纳米薄片中的低温输运机制。
• 确定在绝缘态下可变范围跳跃（VRH）是否占主导地位。
• 通过电导率的温度和磁场依赖性，确定VRH过程的维度。
• 验证实验数据与二维莫特VRH理论预测的一致性。

提出的方法

• 在宽温区内进行四探针电学测量，以提取电导率 G。
• 分析温度依赖的电导率，识别出 log₁₀G ∝ −T⁻¹ᐟ³ 的标度行为，该行为是二维莫特VRH的特征。
• 测量低场磁阻，评估磁阻对磁场的依赖关系 ∼αB²，其中 α ∼ T⁻¹。
• 将实验结果与二维莫特VRH模型进行理论对比，以确认输运机制。
• 采用机械剥离的MoS₂纳米薄片，以最小化外部 disorder，确保本征输运特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非晶MoS₂纳米薄片在绝缘态下的电导率是否遵循二维莫特可变范围跳跃的标度规律？
• RQ2 在低温下，电导率的温度依赖关系如何？是否与预测的 T⁻¹ᐟ³ 行为一致？
• RQ3 所观测到的磁阻是否与二维莫特VRH模型一致？
• RQ4 MoS₂纳米薄片中VRH过程的维度是多少？

主要发现

• 在低温下，log₁₀G 表现出 T⁻¹ᐟ³ 依赖关系，证实了二维莫特可变范围跳跃输运的存在。
• 低场磁阻遵循与 αB² 成比例的二次磁场依赖关系，其中 α ∼ T⁻¹，与二维莫特VRH一致。
• 在高温下，电导率表现出 T⁻¹ 依赖关系，表明热激活是主导机制。
• 所观测到的标度行为和磁阻与无序系统中二维莫特VRH的理论预测完全一致。