Mesoscopic current transport in two-dimensional materials with grain boundaries: Four-point probe resistance and Hall effect

晶界 介观物理学 凝聚态物理 电阻率和电导率 材料科学 粒度 薄板电阻 范德堡法 霍尔效应 物理 微观结构 冶金 复合材料 量子力学 图层(电子)
作者
Mikkel R. Lotz,Mads Boll,Frederik Westergaard Østerberg,Ole Hansen,Dirch Hjorth Petersen
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:120 (13) 被引量:13
标识
DOI:10.1063/1.4963719
摘要

We have studied the behavior of micro four-point probe (M4PP) measurements on two-dimensional (2D) sheets composed of grains of varying size and grain boundary resistivity by Monte Carlo based finite element (FE) modelling. The 2D sheet of the FE model was constructed using Voronoi tessellation to emulate a polycrystalline sheet, and a square sample was cut from the tessellated surface. Four-point resistances and Hall effect signals were calculated for a probe placed in the center of the square sample as a function of grain density n and grain boundary resistivity ρGB. We find that the dual configuration sheet resistance as well as the resistance measured between opposing edges of the square sample have a simple unique dependency on the dimension-less parameter nρGBG0, where G0 is the sheet conductance of a grain. The value of the ratio RA/RB between resistances measured in A- and B-configurations depends on the dimensionality of the current transport (i.e., one- or two-dimensional). At low grain density or low grain boundary resistivity, two-dimensional transport is observed. In contrast, at moderate grain density and high grain resistivity, one-dimensional transport is seen. Ultimately, this affects how measurements on defective systems should be interpreted in order to extract relevant sample parameters. The Hall effect response in all M4PP configurations was only significant for moderate grain densities and fairly large grain boundary resistivity.
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