物理所觀測到鋸齒形石墨烯納米帶邊緣導電

2020-12-05 中國科學院

物理所觀測到鋸齒形石墨烯納米帶邊緣導電

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2018-05-31 物理研究所

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　　石墨烯是一種理想的二維電子氣材料，為研究許多基礎物理現象如量子霍爾效應、拓撲相變、自旋傳輸、超導等提供了簡單的模型系統。石墨烯特性之一是其電子結構對邊緣非常敏感。其中，鋸齒形邊緣（zigzag-edge）結構尤為引人注意。過去二十幾年間，研究鋸齒形邊緣石墨烯一直是理論領域的重點研究對象。早在1996年，已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大學M.Fujita和K.Nakada就預測了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶中平帶和邊緣態的存在，為調控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大學伯克利分校教授S.Louie等進而預測了邊緣的自旋極化橫向電場誘導自旋半金屬的形成。到目前為止，鋸齒形邊緣石墨烯的邊緣態觀測主要依賴於掃描隧道顯微術。利用掃描隧道顯微鏡，已經驗證了石墨烯鋸齒形邊緣處存在局域電子態，這種電子態會沿著邊緣方向一直延伸，但在垂直邊緣的方向迅速衰減；隨著石墨烯納米帶寬度的減小，兩個鐵磁性的邊緣局域電子態呈現反鐵磁耦合，進而伴隨著納米帶從金屬性向半導體性轉變。

　　相對於局域的電子態測量，研究邊緣態對石墨烯輸運性質的影響更加重要，既有助於人們更深入地了解這種電子態的物理內涵，也將為未來石墨烯納米帶電子和自旋器件的發展提供重要的物理基礎。然而，這方面的實驗研究一直沒有突破。存在的挑戰主要包括兩方面：一是如何獲得適合輸運研究的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶高品質樣品；二是在輸運測量中如何將邊緣態和「體態」分離開來以實現指認。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室N07課題組研究員張廣宇的博士生吳霜、沈成等針對鋸齒形邊緣石墨烯納米帶開展了磁輸運測量研究。利用課題組前期發展的氫等離子體各向異性刻蝕輔助的石墨烯納米結構加工技術【Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】，在六方氮化硼絕緣襯底上加工了系列不同寬度的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。通過掃描隧道顯微鏡原子分辨成像和掃描隧道譜，驗證了樣品的高質量。進而加工了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶三端器件，在強磁場和納米帶的尺寸效應共同作用下成功將填充因子為零（ν=0）的「體態」絕緣，並觀測到一個和邊緣態相關的電導峰，且此電導峰具有不隨溫度和磁場變化的魯棒性。同時，通過非局域（non-local）測量也在零磁場下觀測到了一個電壓信號，其能量位置與磁輸運下的電導峰一致，進一步證實了邊緣態參與導電。此外，在邊緣無序的石墨烯納米帶對比樣品中，這種邊緣輸運特徵並未出現，證實這種邊緣導電是鋸齒形邊緣所獨有。

　　相關結果於5月22日發表在《物理評論快報》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。該工作中，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶樣品的掃描隧道顯微鏡表徵是和表面物理實驗室SF06組副研究員王煒華及博士生劉冰（共同第一作者）合作完成的；北京理工大學教授姚裕貴及其博士生李思為該工作提供了理論解釋方面的幫助。工作得到了基金委（61325021／91223204）和中科院項目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

　　石墨烯是一種理想的二維電子氣材料，為研究許多基礎物理現象如量子霍爾效應、拓撲相變、自旋傳輸、超導等提供了簡單的模型系統。石墨烯特性之一是其電子結構對邊緣非常敏感。其中，鋸齒形邊緣（zigzag-edge）結構尤為引人注意。過去二十幾年間，研究鋸齒形邊緣石墨烯一直是理論領域的重點研究對象。早在1996年，已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大學M.Fujita和K.Nakada就預測了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶中平帶和邊緣態的存在，為調控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大學伯克利分校教授S.Louie等進而預測了邊緣的自旋極化橫向電場誘導自旋半金屬的形成。到目前為止，鋸齒形邊緣石墨烯的邊緣態觀測主要依賴於掃描隧道顯微術。利用掃描隧道顯微鏡，已經驗證了石墨烯鋸齒形邊緣處存在局域電子態，這種電子態會沿著邊緣方向一直延伸，但在垂直邊緣的方向迅速衰減；隨著石墨烯納米帶寬度的減小，兩個鐵磁性的邊緣局域電子態呈現反鐵磁耦合，進而伴隨著納米帶從金屬性向半導體性轉變。
　　相對於局域的電子態測量，研究邊緣態對石墨烯輸運性質的影響更加重要，既有助於人們更深入地了解這種電子態的物理內涵，也將為未來石墨烯納米帶電子和自旋器件的發展提供重要的物理基礎。然而，這方面的實驗研究一直沒有突破。存在的挑戰主要包括兩方面：一是如何獲得適合輸運研究的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶高品質樣品；二是在輸運測量中如何將邊緣態和「體態」分離開來以實現指認。
　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室N07課題組研究員張廣宇的博士生吳霜、沈成等針對鋸齒形邊緣石墨烯納米帶開展了磁輸運測量研究。利用課題組前期發展的氫等離子體各向異性刻蝕輔助的石墨烯納米結構加工技術【Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】，在六方氮化硼絕緣襯底上加工了系列不同寬度的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。通過掃描隧道顯微鏡原子分辨成像和掃描隧道譜，驗證了樣品的高質量。進而加工了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶三端器件，在強磁場和納米帶的尺寸效應共同作用下成功將填充因子為零（ν=0）的「體態」絕緣，並觀測到一個和邊緣態相關的電導峰，且此電導峰具有不隨溫度和磁場變化的魯棒性。同時，通過非局域（non-local）測量也在零磁場下觀測到了一個電壓信號，其能量位置與磁輸運下的電導峰一致，進一步證實了邊緣態參與導電。此外，在邊緣無序的石墨烯納米帶對比樣品中，這種邊緣輸運特徵並未出現，證實這種邊緣導電是鋸齒形邊緣所獨有。
　　相關結果於5月22日發表在《物理評論快報》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。該工作中，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶樣品的掃描隧道顯微鏡表徵是和表面物理實驗室SF06組副研究員王煒華及博士生劉冰（共同第一作者）合作完成的；北京理工大學教授姚裕貴及其博士生李思為該工作提供了理論解釋方面的幫助。工作得到了基金委（61325021／91223204）和中科院項目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

列印 責任編輯：葉瑞優

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