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Electrons leave the flatland: interlayer charge transport in 2D conductors

English title Electrons leave the flatland: interlayer charge transport in 2D conductors
Applicant Forro Laszlo
Number 175836
Funding scheme Project funding
Research institution Institut de physique de la matière condensée EPFL - SB - ICMP
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.05.2018 - 31.03.2021
Approved amount 300'000.00
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Keywords (1)

2D materials, out-of-plane resistivity, FIB microm

Lay Summary (French)

Lead
Les électrons quittent la plaine:Transport de charge intercouche dans les conducteurs 2D(Transport dépendant de la température, de la pression et du champ magnétique dans les cristaux taillés par FIB)
Lay summary
La compréhension du transport intercouche dans les conducteurs de bi-dimensionels est un défi de longue date. La question majeure est: comment est-il possible d'avoir une résistivité de type métallique (?) entre les plans lorsque le libre parcours moyen (l) déduit de ? est inférieur d'un ordre de grandeur à l'espacement des plans? L'énigme est encore plus profonde dans les cas où nominalement pour le même composé (par exemple le supraconducteur à haute température Bi2Sr2CaCu2O8, abrégé en BISCO) il y a des rapports avec d ?/ dT> 0, et aussi avec d?/ dT <0. Ce problème a reçu une plus grande pertinence avec l'étude de matériaux 2D exfoliés où il est nécessaire de comprendre d'abord le matériau en macroscopique avant de passer à une seule couche. De plus, dans la configuration du dispositif, plus d'une couche pourrait être utilisée ou dans leurs hétérostructures, où le transport entre les couches doit également être pris en compte.
Habituellement, l'anisotropie de résistivité dans les systèmes de faible dimension est mesurée par les méthodes de Montgomery ou Van der Pauw, qui ne sont pas avantageuses pour les cristaux plaquettaires si la taille hors plan (habituellement appelée axe c) est très petite. Les résultats contradictoires pour ?c sont très souvent dus à des géométries de flux de courant et de sondes de tension mal définies. Avec le développement de l'outil FIB (Focused Ion Beam), cet obstacle pourrait être surmonté car les structures sont adaptées et contactées sur des tailles de microns où les chemins de courant-tension sont définis de manière fiable.
Dans cette proposition, nous envisageons de remettre en question quelques questions majeures dans un ensemble de matériaux 2D modèles (dichalcogénures de métaux de transition (TMD), cuprates, manganites, graphite) en étudiant simultanément le plan ab (?ab) et l'axe c (?c ) dans des structures coupées par FIB. Nous allons explorer l'espace de phase de la température, de la pression et du champ magnétique. Les questions que nous voulons aborder sont:
i) Quelle est la limite de résistivité métallique maximale?
ii) Dans l'état de type métallique hautement résistif, la magnétorésistance confirme la métallicité, par exemple, la règle de Kohler est-elle obéie?
iii) Lorsque ?c devient non métallique en raison d'une séparation accrue des couches avec des molécules intercalées, quel est le rôle du désordre?
iv) Peut-on ramener d?c / dT <0 à un régime métallique avec pression hydrostatique?
v) Comment les corrélations (Mott, onde de densité de charge, pseudogap ...) influencent-elles le transport entre couches?
vi) Comment les degrés de liberté magnétiques intercalés (à longue portée, odeurs ou désordonnées) modifient-ils le transport de charges inter-couches?

Ces questions sont importantes pour une compréhension détaillée des matériaux 2D. Nos données préliminaires montrent une physique riche au-delà de toute attente.
 
Direct link to Lay Summary Last update: 01.11.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Preferential out-of-plane conduction and quasi-one-dimensional electronic states in layered 1T-TaS2
Martino E., Pisoni A., Ćirić L., Arakcheeva A., Berger H., Akrap A., Putzke C., Moll P. J. W., Batistić I., Tutiš E., Forró L., Semeniuk K. (2020), Preferential out-of-plane conduction and quasi-one-dimensional electronic states in layered 1T-TaS2, in npj 2D Materials and Applications, 4(1), 7-7.
Giant anomalous Hall effect in quasi-two-dimensional layered antiferromagnet Co1/3NbS2
Tenasini Giulia, Martino Edoardo, Ubrig Nicolas, Ghimire Nirmal J., Berger Helmuth, Zaharko Oksana, Wu Fengcheng, Mitchell J. F., Martin Ivar, Forró László, Morpurgo Alberto F. (2020), Giant anomalous Hall effect in quasi-two-dimensional layered antiferromagnet Co1/3NbS2, in Physical Review Research, 2(2), 023051-023051.
Persistent antiferromagnetic order in heavily overdoped Ca 1− x La x FeAs 2
Martino Edoardo, Bachmann Maja D, Rossi Lidia, Modic Kimberly A, Zivkovic Ivica, Rønnow Henrik M, Moll Philip J W, Akrap Ana, Forró László, Katrych Sergiy (2019), Persistent antiferromagnetic order in heavily overdoped Ca 1− x La x FeAs 2, in Journal of Physics: Condensed Matter, 31(48), 485705-485705.
Electronic properties of incommensurately modulated novel and complex materials
Martino Edoardo, Arakcheeva Alla, Autès Gabriel, Katrych Sergiy, Yazyev Oleg V., Moll Philip J. W., Akrap Ana, Forró László (2018), Electronic properties of incommensurately modulated novel and complex materials, in Acta Crystallographica Section A Foundations and Advances, 74(a2), e96-e96.
Sr 2 Pt 8− x As: a layered incommensurately modulated metal with saturated resistivity
Martino Edoardo, Arakcheeva Alla, Autès Gabriel, Pisoni Andrea, Bachmann Maja D., Modic Kimberly A., Helm Toni, Yazyev Oleg V., Moll Philip J. W., Forró László, Katrych Sergiy, Martino Edoardo, Arakcheeva Alla, Autès Gabriel, Pisoni Andrea, Bachmann Maja D., Modic Kimberly A., Helm Toni, Yazyev Oleg V., Moll Philip J. W., Forró László, Katrych Sergiy, Martino Edoardo, Arakcheeva Alla, et al. (2018), Sr 2 Pt 8− x As: a layered incommensurately modulated metal with saturated resistivity, in IUCrJ, 5(4), 470-477.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
University of Fribourg Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Institute of Physics Croatia (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
University of Geneva Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Brookhaven National Laboratory United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Workshop CA2D, Talk given at a conference New insight in the physics of 1T-TaS2 04.11.2019 Naples, Italy Forro Laszlo; Semeniuk Konstantin; Martino Edoardo;


Awards

Title Year
Best Physics Thesis Award for Edoardo Martino 2020

Abstract

The understanding of the interlayer transport in low-dimensional conductors is a longstanding challenge. The major question is: how is it possible to have a metallic-like resistivity (?) in-between planes when the mean free path (l) deduced from ? is in order of magnitude lower than the lattice spacing. The enigma is even deeper in cases when nominally for the same compound (e.g. Bi2Sr2CaCu2O8 high Tc superconductor, abbreviated as BISCO) there are reports with d/dT >0, and also with d/dT <0. This problem has received further relevance with the advent of exfoliated 2D materials where it is necessary to first understand the bulk material before going to single layer. Furthermore, in device configuration more than one layer could be used or in their heterostructures, where the transport between the layers must be also considered.Usually, the resistivity anisotropy in low-dimensional systems is measured by the Montgomery or Van der Pauw methods, which are not advantageous for platelet-shaped crystals if the out-of-plane size (usually called c-axis) is very small. The conflicting results for ?c, very often are due to ill-defined current flow and voltage probe geometries. With the development of the Focused Ion Beam (FIB) tool this hurdle could be overcome since structures are tailored and contacted on micron sizes where the current-voltage paths are reliably defined.In this proposal we plan to challenge few major questions in a selected set of model 2D materials (transition metal dichalcogenides (TMDs), cuprates, manganites, graphite) by studying simultaneously the ab-plane (?ab) and c-axis (?c) charge transport in FIB-cut structures. We will explore the phase space of temperature, pressure and magnetic field. The questions we want address are:i)What is the limit of maximum metallic resistivity?ii)In the highly resistive metallic-like state does the magnetoresistance confirm metallicity, e.g. is the Kohler’s rule obeyed?iii)When ?c turns non-metallic due to an increased layer separation with intercalated molecules, what is the role of disorder?iv)Can one bring back d ?c /dT< 0 to a metallic regime with hydrostatic pressure?v)How do correlations (Mott, charge density wave, pseudogap…) influence the interlayer transport?vi)How do intercalated magnetic degrees of freedom (long range odered or disordered) change the inter-layer charge transport?These questions are important for a detailed understanding of 2D materials. Our preliminary data show a rich physics beyond any expectation.
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