二维二碲化钨晶体的电输运和极磁阻效应的研究

Recently, an extremely-large magnetoresistance (XMR) effect has been discovered in three-dimensional (3D) WTe2 single crystal, which attracts lots of world-wide attention. Based on it, this project aims to study the electric transport and magnetoresistance effect of two-dimensional (2D) WTe2 crystal through theoretical and experimental ways. Firstly, mono- or few-layer 2D WTe2 crystal will be mechanically exfoliated from a piece of bulk single crystal and characterized by TEM, AFM and micro-Raman spectroscopy. After that, PPMS will be used to measure the electric transport, magnetoresistance and Hall effect, from which the material parameters of mobility, density of carriers and Hall coefficient can be obtained. By changing the layer number, we will clarify the evolution of physical properties from 3D to 2D, and explore possible new phenomena. First-principle method will be utilized to analyze the structural basis of the XMR effect. Combined with experimental results, our calculations may clarify the relation between the XMR effect and electronic structure. Our proposed research not only provides a route to deepen the understanding of the XMR effect and quantum transport in the 2D WTe2 crystal, but also demonstrates its potential applications as 2D spintronic device and new transistor.

最近，在三维WTe2单晶块材中发现了极大的磁阻效应，这一发现引起了世界范围的广泛关注。本项目拟在此基础上利用理论和实验的相关方法对二维二碲化钨晶体的电输运及极磁阻效应进行深入研究。首先，采用机械剥离法制备单层或多层二维二碲化钨晶体,借助透射电子显微镜、原子力显微镜和显微拉曼仪来等表征其基本性质。然后，在PPMS测试平台上考察二维二碲化钨晶体的电输运、磁阻及霍尔效应，从而得到迁移率、载流子浓度和霍尔系数等基本参数。改变样品的层数，揭示材料物性从三维向二维的演变，同时探索可能发生的新现象。通过第一性原理计算分析极磁阻存在的结构基础，并结合实验结果，阐明二维二碲化钨晶体的磁阻效应与电子结构之间的本质关系。本项目不仅为深入理解二碲化钨晶体的极磁阻和量子输运奠定基础，更展示了它作为首个二维磁阻器件及新型晶体管的广阔应用前景。

作为一种过渡族金属硫族化合物，WTe2因其特殊的外尔半金属能带结构、极大的磁阻效应受到了广泛的关注。在本研究之前，其拉曼光谱的表征及光对于样品电子输运的影响却一直不清楚。我们通过机械剥离的方法制备了单层和多层的WTe2晶体薄片，先利用光学显微镜来分辨少层的样品，然后再通过原子力显微镜（AFM）判断层数及薄片厚度。拉曼光谱分析了不同层数的WTe2晶体薄片，探索了层数与拉曼峰位之间的对应关系，同时通过DFPT理论计算找到了所有拉曼峰位所对应光声子振动模式。此外，我们还在综合物性测量系统（PPMS）中对WTe2晶体的光电响应进行研究。在零磁场的情况下，不同于普通的半导体，光的加入会导致该样品的电阻增大，这是一种反常的光电导现象。而当有磁场存在时，我们发现磁场可以调控光电导的符号，即强磁场下为正常光电导现象，而弱场下变为反常光电导。事实上，光的存在总是削弱WTe2的极磁阻效应，这很可能是由于光会破坏电子空穴间的数量平衡，而抑制了极磁阻效应的产生有关。通过对WTe2晶体进行霍尔效应的测量，验证了以上对于其机理的解释。本项目支持的研究不仅有利于加深对WTe2晶体结构的空间对称性及载流子输运特性的物理机理解释，而且对设计具有电、磁、光等多功能一体化的新型器件也具有重要的指导意义。