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石墨烯特性之一是其电子结构对边缘非常敏感
发布时间:2020-05-16 21:35    文章作者:ag8亚洲国际游戏

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  石墨烯是一种理想的二维电子气材料,为研究许多基础物理现象如量子霍尔效应、拓扑相变、自旋传输、超导等提供了简单的模型系统。石墨烯特性之一是其电子结构对边缘非常敏感。其中,锯齿形边缘(zigzag-edge)结构尤为引人注意。过去二十几年间,研究锯齿形边缘石墨烯一直是理论领域的重点研究对象。早在1996年,已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大学M.Fujita和K.Nakada就预测了锯齿形边缘石墨烯纳米带中平带和边缘态的存在,为调控石墨烯的物性提供了新的思路;2006年加州大学伯克利分校教授S.Louie等进而预测了边缘的自旋极化横向电场诱导自旋半金属的形成。到目前为止,锯齿形边缘石墨烯的边缘态观测主要依赖于扫描隧道显微术。利用扫描隧道显微镜,已经验证了石墨烯锯齿形边缘处存在局域电子态,这种电子态会沿着边缘方向一直延伸,但在垂直边缘的方向迅速衰减;随着石墨烯纳米带宽度的减小,两个铁磁性的边缘局域电子态呈现反铁磁耦合,进而伴随着纳米带从金属性向半导体性转变。

  相对于局域的电子态测量,研究边缘态对石墨烯输运性质的影响更加重要,既有助于人们更深入地了解这种电子态的物理内涵,也将为未来石墨烯纳米带电子和自旋器件的发展提供重要的物理基础。然而,这方面的实验研究一直没有突破。存在的挑战主要包括两方面:一是如何获得适合输运研究的锯齿形边缘石墨烯纳米带高品质样品;二是在输运测量中如何将边缘态和“体态”分离开来以实现指认。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室N07课题组研究员张广宇的博士生吴霜、沈成等针对锯齿形边缘石墨烯纳米带开展了磁输运测量研究。利用课题组前期发展的氢等离子体各向异性刻蚀辅助的石墨烯纳米结构加工技术【Adv. Mater.22, 4014 (2010);Adv. Mater.23, 3061 (2011);Appl. Phys. Lett.109, 053101 (2016)】,在六方氮化硼绝缘衬底上加工了系列不同宽度的锯齿形边缘石墨烯纳米带。通过扫描隧道显微镜原子分辨成像和扫描隧道谱,验证了样品的高质量。进而加工了锯齿形边缘石墨烯纳米带三端器件,在强磁场和纳米带的尺寸效应共同作用下成功将填充因子为零(ν=0)的“体态”绝缘,并观测到一个和边缘态相关的电导峰,且此电导峰具有不随温度和磁场变化的鲁棒性。同时,通过非局域(non-local)测量也在零磁场下观测到了一个电压信号,其能量位置与磁输运下的电导峰一致,进一步证实了边缘态参与导电。此外,在边缘无序的石墨烯纳米带对比样品中,这种边缘输运特征并未出现,证实这种边缘导电是锯齿形边缘所独有。

  相关结果于5月22日发表在《物理评论快报》上【Phys. Rev. Lett.120, 216601 (2018)】。该工作中,锯齿形边缘石墨烯纳米带样品的扫描隧道显微镜表征是和表面物理实验室SF06组副研究员王炜华及博士生刘冰(共同第一作者)合作完成的;北京理工大学教授姚裕贵及其博士生李思为该工作提供了理论解释方面的帮助。工作得到了基金委(61325021/91223204)和中科院项目(XDPB0602/XDB07010100/OYZDB-SSW-SLH0004)的支持。

  石墨烯是一种理想的二维电子气材料,为研究许多基础物理现象如量子霍尔效应、拓扑相变、自旋传输、超导等提供了简单的模型系统。石墨烯特性之一是其电子结构对边缘非常敏感。其中,锯齿形边缘(zigzag-edge)结构尤为引人注意。过去二十几年间,研究锯齿形边缘石墨烯一直是理论领域的重点研究对象。早在1996年,已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大学M.Fujita和K.Nakada就预测了锯齿形边缘石墨烯纳米带中平带和边缘态的存在,为调控石墨烯的物性提供了新的思路;2006年加州大学伯克利分校教授S.Louie等进而预测了边缘的自旋极化横向电场诱导自旋半金属的形成。到目前为止,锯齿形边缘石墨烯的边缘态观测主要依赖于扫描隧道显微术。利用扫描隧道显微镜,已经验证了石墨烯锯齿形边缘处存在局域电子态,这种电子态会沿着边缘方向一直延伸,但在垂直边缘的方向迅速衰减;随着石墨烯纳米带宽度的减小,两个铁磁性的边缘局域电子态呈现反铁磁耦合,进而伴随着纳米带从金属性向半导体性转变。

  相对于局域的电子态测量,研究边缘态对石墨烯输运性质的影响更加重要,既有助于人们更深入地了解这种电子态的物理内涵,也将为未来石墨烯纳米带电子和自旋器件的发展提供重要的物理基础。然而,这方面的实验研究一直没有突破。存在的挑战主要包括两方面:一是如何获得适合输运研究的锯齿形边缘石墨烯纳米带高品质样品;二是在输运测量中如何将边缘态和“体态”分离开来以实现指认。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室N07课题组研究员张广宇的博士生吴霜、沈成等针对锯齿形边缘石墨烯纳米带开展了磁输运测量研究。利用课题组前期发展的氢等离子体各向异性刻蚀辅助的石墨烯纳米结构加工技术【Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】,在六方氮化硼绝缘衬底上加工了系列不同宽度的锯齿形边缘石墨烯纳米带。通过扫描隧道显微镜原子分辨成像和扫描隧道谱,验证了样品的高质量。进而加工了锯齿形边缘石墨烯纳米带三端器件,在强磁场和纳米带的尺寸效应共同作用下成功将填充因子为零(ν=0)的“体态”绝缘,并观测到一个和边缘态相关的电导峰,且此电导峰具有不随温度和磁场变化的鲁棒性。同时,通过非局域(non-local)测量也在零磁场下观测到了一个电压信号,其能量位置与磁输运下的电导峰一致,进一步证实了边缘态参与导电。此外,在边缘无序的石墨烯纳米带对比样品中,这种边缘输运特征并未出现,证实这种边缘导电是锯齿形边缘所独有。

  相关结果于5月22日发表在《物理评论快报》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。该工作中,锯齿形边缘石墨烯纳米带样品的扫描隧道显微镜表征是和表面物理实验室SF06组副研究员王炜华及博士生刘冰(共同第一作者)合作完成的;北京理工大学教授姚裕贵及其博士生李思为该工作提供了理论解释方面的帮助。工作得到了基金委(61325021/91223204)和中科院项目(XDPB0602/XDB07010100/OYZDB-SSW-SLH0004)的支持。


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