Emergence of a Metal−Insulator Transition and High-Temperature Charge-Density Waves in VSe2 at the Monolayer Limit

본 연구팀은 반 데르발스 계면에서의 전자 재결합에 의한 새로운 발현 현상에 대한 연구를 발표했다. 특히, VSe2의 두께를 줄이고 이종 계면을 만듦으로써 단원자층 VSe2의 전자 정렬 구조가 바뀌는 것을 확인했다. 각도분해 광전자 분광법(Angle resolved photoemission spectroscopy, ARPES)을 통해 단원자층 VSe2에서 완벽한 페르미 면 겹싸기 (Fermi surface nesting) 현상을 성공적으로 관측하였고, 재규격화군 분석 방법 (Renormalization-group analysis)을 통해 3차원보다 2차원에서 페르미면 겹싸기 현상이 더 완벽하고 안정적으로 형성됨을 이론적으로 확인하였다. 그 결과로 덩어리 시료에서 105 K 근처에서 발현하던 전하 밀도파가 단원자층에서는 훨씬 높은 온도인 350 K 에서 발현한다. 또한 단원자층 두께의 시료는 기판으로 사용된 그래핀의 계면 효과가 강해짐에 따라 격자 구조의 찌그러짐을 주사형 터널링 현미경 (scanning tunneling microscopy, STM) 을 통해 관측했다. 이러한 격자 찌그러짐은 페르미 에너지 근처에서 에너지 틈을 만드는 것을 ARPES를 통해 분명히 확인하였고 이로 인해 135 K 근처에서 단원자층 VSe2의 금속-절연체 상전이가 발현한다. 본 연구는 두께가 얇은 전이금속 칼코겐 화합물에서 발현하는 특별한 금속-절연체 상전이에 있어 이종 계면이 중요한 역할을 함을 실험적으로 증명하였다.

Emergent phenomena driven by electronic reconstructions in oxide heterostructures have been intensively discussed. However, the role of these phenomena in shaping the electronic properties in van der Waals heterointerfaces has hitherto not been established. By reducing the material thickness and forming a heterointerface, we find two types of charge-ordering transitions in monolayer VSe2 on graphene substrates. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) uncovers that Fermi-surface nesting becomes perfect in ML VSe2. Renormalization-group analysis confirms that imperfect nesting in three dimensions universally flows into perfect nesting in two dimensions. As a result, the charge-density wave-transition temperature is dramatically enhanced to a value of 350 K compared to the 105 K in bulk VSe2. More interestingly, ARPES and scanning tunneling microscopy measurements confirm an unexpected metal−insulator transition at 135 K that is driven by lattice distortions. The heterointerface plays an important role in driving this novel metal−insulator transition in the family of monolayer transition-metal dichalcogenides.

참여 연구원: 강순민, 박제근 (이 연구는 서울시립대 장영준 교수 연구팀과 공동연구임)
Nano Lett., Article ASAP
doi: DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01764

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01764