[Aug 15, 2016] 김준성, 김태환, 민병일 교수 연구실 - Layer-Confined Excitonic Insulating Phase in Ultrathin Ta2NiSe5 Crystals

“반데르발스 물질의 엑시톤 응축상태의 특성 규명” 

김준성 (제1저자 김소영), 김태환, 민병일 교수 연구실은 준이차원 물질인 Ta2NiSe5의 엑시톤 응축 상태의 특성을 규명하였다. 연구결과는 ACS Nano 에 2016. 9. 27일자로 게재되었다. 반도체에서 전자와 홀의 결합으로 형성되는 엑시톤은 반도체갭의 크기가 매우 작을 때 자발적 응축상태를 만들게 된다. 이 연구에서는 반데르발스 물질인 Ta2NiSe5에서 발현되는 엑시톤 응축상태가 2차원 층에 국소화되어 나타난다는 실험적인 증거를 기계적 박리를 통해 얻은 2차원 물질 특성변화 관측을 통해 제시하였다. 이 결과는 2차원 물질의 특이 기저상태를 이해하는데 중요한 기초를 제공할 것으로 기대된다.

Atomically thin nanosheets, as recently realized using van der Waals layered materials, offer a versatile platform for studying the stability and tunability of the correlated electron phases in the reduced dimension. Here, we investigate a thickness-dependent excitonic insulating (EI) phase on a layered ternary chalcogenide Ta2NiSe5. Using Raman spectroscopy, scanning tunneling spectroscopy, and in-plane transport measurements, we found no significant changes in crystalline and electronic structures as well as disorder strength in ultrathin Ta2NiSe5 crystals with a thickness down to five layers. The transition temperature, Tc, of ultrathin Ta2NiSe5 is reduced from its bulk value by ΔTc/Tcbulk ≈ −9%, which strongly contrasts the case of 1T-TiSe2, another excitonic insulator candidate, showing an increase of Tc by ΔTc/Tcbulk ≈ +30%. This difference is attributed to the dominance of interband Coulomb interaction over electron–phonon interaction and its zero-ordering wave vector due to the direct band gap structure of Ta2NiSe5. The out-of-plane correlating length of the EI phase is estimated to have monolayer thickness, suggesting that the EI phase in Ta2NiSe5 is highly layer-confined and in the strong coupling limit.