鋸齒形邊緣石墨烯納米帶磁輸運(yùn)測量研究進(jìn)展

鋸齒形邊緣石墨烯納米帶磁輸運(yùn)測量研究進(jìn)展

石墨烯是一種理想的二維電子氣材料，為研究許多基礎(chǔ)物理現(xiàn)象如量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)湎嘧儭⒆孕齻鬏?、超?dǎo)等提供了簡單的模型系統(tǒng)。石墨烯特性之一是其電子結(jié)構(gòu)對邊緣非常敏感。其中，鋸齒形邊緣（zigzag-edge）結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的重點(diǎn)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(xué)M.Fujita和K.Nakada就預(yù)測了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶中平帶和邊緣態(tài)的存在，為調(diào)控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大學(xué)伯克利分校教授S.Louie等進(jìn)而預(yù)測了邊緣的自旋極化橫向電場誘導(dǎo)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(tài)觀測主要依賴于掃描隧道顯微術(shù)。利用掃描隧道顯微鏡，已經(jīng)驗(yàn)證了石墨烯鋸齒形邊緣處存在局域電子態(tài)，這種電子態(tài)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(tài)呈現(xiàn)反鐵磁耦合，進(jìn)而伴隨著納米帶從金屬性向半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變。



相對于局域的電子態(tài)測量，研究邊緣態(tài)對石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響更加重要，既有助于人們更深入地了解這種電子態(tài)的物理內(nèi)涵，也將為未來石墨烯納米帶電子和自旋器件的發(fā)展提供重要的物理基礎(chǔ)。然而，這方面的實(shí)驗(yàn)研究一直沒有突破。存在的挑戰(zhàn)主要包括兩方面：一是如何獲得適合輸運(yùn)研究的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶高品質(zhì)樣品；二是在輸運(yùn)測量中如何將邊緣態(tài)和“體態(tài)”分離開來以實(shí)現(xiàn)指認(rèn)。



最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)測量研究。

鋸齒形邊緣石墨烯納米帶磁輸運(yùn)測量研究進(jìn)展

利用課題組前期發(fā)展的氫等離子體各向異性刻蝕輔助的石墨烯納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)【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。

鋸齒形邊緣石墨烯納米帶磁輸運(yùn)測量研究進(jìn)展

通過掃描隧道顯微鏡原子分辨成像和掃描隧道譜，驗(yàn)證了樣品的高質(zhì)量。進(jìn)而加工了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶三端器件，在強(qiáng)磁場和納米帶的尺寸效應(yīng)共同作用下成功將填充因子為零（ν=0）的“體態(tài)”絕緣，并觀測到一個和邊緣態(tài)相關(guān)的電導(dǎo)峰，且此電導(dǎo)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(yùn)下的電導(dǎo)峰一致，進(jìn)一步證實(shí)了邊緣態(tài)參與導(dǎo)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(yùn)特征并未出現(xiàn)，證實(shí)這種邊緣導(dǎo)電是鋸齒形邊緣所獨(dú)有。



相關(guān)結(jié)果于5月22日發(fā)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征是和表面物理實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xiàng)目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

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