İlerleme | Yeni bir iki boyutlu atomik kristal VSe2 ve onun yarı-iki boyutlu kuantum uyumlu taşınmasının hazırlanması
İçsel manyetizmaya ve bunların manyetizmasına sahip iki boyutlu kristal malzemeler, yeni iki boyutlu atomik kristal malzemeler ve bunların uygulamaları için önemli araştırma yönleridir ve yeni nesil düşük güçlü bilgi işleme ve depolama ve döndürme cihazlarında potansiyel uygulamalara sahiptir. Teorik hesaplamalar ve deneyler, tek katmanlı vanadyum diselenidin (VSe2) içsel ferromanyetizmaya sahip olduğunu ve Curie sıcaklığının oda sıcaklığından daha yüksek olduğunu göstermektedir. Güçlü spin-yörünge kuplajının etkisi altında, iletim bandının altındaki ve değerlik bandının üstündeki dönüşler polarize olacaktır, bu da onu spintronik ve vadi elektroniği alanlarında çok faydalı kılan içsel vadi polarize bir materyaldir. İyi uygulama olanakları. Bununla birlikte, VSe2'nin fiziksel özellikleri, özellikle manyetik özellikler, büyük ölçüde katman sayısına bağlıdır.Yüksek kaliteli, düşük katmanlı / tek katmanlı VSe2'nin kontrol edilebilir hazırlanması, yeni fiziksel özelliklerini incelemenin anahtarıdır.
Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi'nden Akademisyen Gao Hongjun liderliğindeki araştırma ekibi, uzun yıllar boyunca yeni iki boyutlu atomik kristal malzemeler, fiziksel özellik kontrolü ve prototip cihazların hazırlanmasına adanmış ve bir dizi araştırma sonucu elde etmiştir. . Son zamanlarda, VSe2'nin yeni iki boyutlu atomik kristal malzeme sisteminin araştırılmasında tek katmanlı VSe2 moleküler ışın epitaksisinin kontrol edilebilir hazırlanmasını ve tek boyutlu modellemesini ve işlevselliğini başarıyla gerçekleştirdiler. Bununla birlikte, taşıma özelliklerine ilişkin araştırmalar, numune aktarımı ve kalınlık kontrolünün zorlukları nedeniyle sınırlanmıştır.
Son zamanlarda, doktora sonrası araştırmacı Liu Hongtao ve araştırma grubunun yardımcı araştırmacısı Bao Lihong, yalıtım alt tabakaları üzerindeki birkaç katmanlı VSe2 tek kristal nano tabakaların kontrol edilebilir hazırlanmasını başarıyla gerçekleştirmek için kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemini kullandı ve düşük sıcaklık elektronları katman sayısına bağlıydı. Taşıma özellikleri incelendi. İlk olarak, iki boyutlu kristal materyallerin süblimasyon tuzu yardımlı CVD büyümesi için evrensel bir yöntem geliştirdiler. Bu yöntem, VSe2'nin birden fazla katmanının yüksek kaliteli, kontrol edilebilir hazırlanmasını sağlayabilir, en ince 2,48 nm (yaklaşık 4 katman) olabilir (Şekil 1). VSe2 nano yapraklarının boyutu ve kalınlığı, vanadyum kaynağı miktarı, büyüme sıcaklığı ve taşıyıcı gazdaki hidrojen konsantrasyonu ile kontrol edilebilir (Şekil 1). Süblimasyon tuzunun etkisi altında, büyüme sıcaklığı, birkaç VSe2 katmanının hazırlanmasını gerçekleştirmek için 400 ° C'ye kadar büyük ölçüde azaltılır. Büyüme süreci sırasında, süblimasyon tuzu yüksek sıcaklıkta buharlaşır ve taşıyıcı gaz tarafından alınır, böylece numune kontaminasyonu önlenir. Yüksek kaliteli numuneler X-ışını kırınımı (XRD), Raman (Raman), transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve diğer karakterizasyon yöntemleri (Şekil 1) ile doğrulanır. Bu hazırlama yöntemi aynı zamanda vanadyum disülfür (VS2), vanadyum diselenid (VTe2), tungsten diselenid (WSe2) gibi diğer iki boyutlu kristal malzemelerin sentezi için de uygundur. Farklı kalınlıklara sahip yüksek kaliteli VSe2 numunelerine dayanarak, düşük sıcaklıkta taşıma özelliklerini daha da incelediler ve ilk kez birkaç katmanlı VSe2 tek kristal nano tabakalarda zayıf yerelleştirme (WAL) etkileri ve yarı-iki boyutlu taşıma özellikleri gözlemlediler. (Şekil 24). Kuantum hapsetme etkisinden etkilenen 5 nm'den daha az kalınlığa sahip numuneler yarı-iki boyutlu taşıma özellikleri sergiler ve bu nedenle zayıf yer değiştirme etkileri gözlemlenir (Şekil 3a ve Şekil 4) Bu, numunenin yüksek kalitesi ve birkaç katmanından kaynaklanmaktadır. kalınlığı. HLN teorisi, zayıf anti-lokalizasyon etkisine iyi bir şekilde uyabilir. 1.9 K'da, yerleştirilmiş faz tutarlılık uzunluğu ve spin-yörünge birleştirme uzunluğu sırasıyla ~ 50 nm ve ~ 17 nm'dir (Şekil 4). Eşevresizlik mekanizması esas olarak elektron-elektron etkileşiminden kaynaklanır. Zayıf anti-lokalizasyon etkisi, nispeten güçlü spin-yörünge kuplajı altında kuantum uyumlu bir davranıştır Bu etkinin keşfi, VSe2'nin birkaç katmanında güçlü bir spin-yörünge kuplajı olduğunu göstermektedir. Ek olarak, VSe2 örneğindeki yük yoğunluğu dalgasının (CDW) neden olduğu hareketlilik dalgalanmasının neden olduğu büyük bir doymamış doğrusal manyetorezistans buldular (Şekil 3). Bununla birlikte, farklı kalınlıktaki tüm numunelerde, anormal bir Hail etkisi gözlenmedi ve ön olarak numunelerin ferromanyetik olmadığına karar verildi. Bunun olası nedeni, numunenin kalınlığının hala büyük olması veya CDW durumu ile ferromanyetizmanın birbiriyle rekabet etmesi ve CDW durumunun daha kararlı bir temel durum olmasıdır.
Özetle, bu çalışma, kontrol edilebilir sayıda katmana sahip iki boyutlu atomik kristal malzemelerin düşük sıcaklıkta hazırlanması için bir yöntem geliştirmiştir; bu, tek katmanlı VSe2'nin hazırlanması ve fiziksel özellikleri için bir fikir sağlar ve ayrıca vanadyum bazlı iki boyutlu atomik kristalleri teşvik eder. Malzemelerin (VX2, X = S, Te) ve diğer iki boyutlu kristal malzemelerin büyümesi ve araştırılması. İlgili çalışma Nano Letters'da yayınlandı (Nano Lett. 19, 4551-4559 (2019)). Dr. Hongtao Liu ve yardımcı araştırmacı Bao Lihong ilk ortak yazarlar ve yardımcı araştırmacı Bao Lihong da irtibat yazarıdır. Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından onaylandı (61674 170 , 6 188 8102), Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (2016YFA0202300, 2018FYA0305800) ve Çin Bilimler Akademisi (XDB30000000, XDB28000000, 20 150 005) destek.
Şekil 1: Yüksek kaliteli birkaç katmanlı VSe2 nano sayfalarının kontrol edilebilir hazırlanması ve yapısal karakterizasyonu. (A) VSe2 nano yapraklarının kalınlığı ile büyüme sıcaklığı arasındaki ilişki. Ek, SiO2 / Si substratı üzerindeki VSe2 nanosheets'in optik bir mikrografıdır. (B) AFM topografyası ve VSe2 nano yapraklarının kalınlığı. (C) 4.2 nm VSe2 nanosheet'in Raman spektrumu. Ek, 207 cm 1'de A1g pikinin Raman görüntüsünü gösterir. (D) VSe2 nanosheets'in XRD modeli ve 1T fazı VSe2'nin standart toz kırınım tepe noktaları. (E) VSe2 nanosheets'in düşük güç iletimli elektron mikroskobu (TEM) görüntüsü. Ek, VSe2 nanosheet'in seçilen alan elektron kırınımını (SAED) gösterir. (F) VSe2 atomik olarak çözülmüş yüksek açılı dairesel karanlık alan taramalı transmisyon elektron mikroskobu (HAADF-STEM) görüntüsü.
Şekil 2: Farklı kalınlıklara sahip VSe2 nanosheets'in direnci ve sıcaklığı arasındaki ilişki. Farklı kalınlıklara sahip VSe2 nanosheets'in özdirenci sıcaklık (a), birinci türev (b) ve CDW geçiş sıcaklığı (TCDW) ve artık direnç oranı (RRR = 300K / 2K) (c) ile değişir. TCDW, dirençliliğin birinci türevinin minimum değeri ile belirlenir. (A) 'daki ek, 9.6 nm kalınlığında VSe2 nanosheet ile bir Hall cihazının optik bir mikrografıdır. Ölçek çubuğu 5 m'dir. Noktalı çizgi, 28 nm kalınlığa sahip VSe2 nanosheet'in TCDW'sidir. Düşük sıcaklıklarda farklı manyetik alanlarda (d) 28, (e) 9,6 ve (f) 4,6 nm kalınlıktaki VSe2 nanosheets özdirencinin sıcaklığa bağımlılığı. Sıcaklık logaritmik ölçekte. 4.6 nm kalınlığa sahip numune, düşük sıcaklıkta elektron-elektron etkileşiminin neden olduğu dirençte (f) bir artış sergilemektedir.
Şekil 3: VSe2 nanosheets'in farklı kalınlıklara sahip manyetore direncinin karşılaştırılması. (A c) Farklı sıcaklıklarda 28, 9,6 ve 4,6 nm kalınlıktaki VSe2 nano yapraklarının manyetor direnci: (a) 1,9 K, TCDW'den düşük, (b) TCDW'ye yakın sıcaklık, (c) 110 K'da, daha yüksek TCDW'de. (A) 'daki ek, 4.6 nm numunenin düşük alan kısmının büyütülmüş bir görünümüdür. Düşük alandaki aşağı doğru yükselme, zayıf yerelleşme önleme (WAL) etkisidir. (D f) 28, 9.6 ve 4.6 nm kalınlıktaki numunelerin Kohler grafikleri.
Şekil 4: VSe2 nanosheets'in WAL etkisi. 10 K'nin altındaki 4,6 nm VSe2 nanosheets'in xx iletkenliği manyetik alan (a) ve HLN teorisi uydurma (b) ile değişir. (C) Eş-evreli saçılmaya karşılık gelen karakteristik manyetik alan B'nin ve tertibattan çıkarılan spin-yörünge kuplaj saçılmasına karşılık gelen karakteristik manyetik alan BSO'nun sıcaklık bağımlılığı. (D) Faz tutarlılık uzunluğu l ile spin-yörünge saçılma uzunluğu lSO ve sıcaklık arasındaki ilişki.
Makale başlığı: Birkaç katmanlı VSe2'de Yarı 2D Aktarım ve Zayıf Lokalizasyon Etkisi
Editör: Kobayashi Midori
