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2016年代表性工作之二:基于石墨烯-氮化硼异质结构弹道输运pn结的电子光学实验观测

信息来源:SYNL        更新时间:2017/5/9


石墨烯-氮化硼平面异质结构自2010年首次报道以来受到了凝聚态物理研究人员的广泛关注,并衍生了二维原子晶体的人工堆垛结构的研究分支。由于氮化硼提供了化学惰性、原子级别平整、无电荷掺杂的良好基底,石墨烯得以获得比在传统硅片表面高出3-4个数量级的载流子迁移率,并直接促成了石墨烯体系中分数量子霍尔效应的实验观测。作为Dirac费米子二维电子气,石墨烯具有零带隙、电子空穴可调制等特性,并且其与氮化硼平面异质结构能够提供超高迁移率。这些性质,正是实验上实现电子光学的必要因素。所谓电子光学,也即电子表现出光学行为的体系。例如,在一个二维pn结界面上,电子能够像光入射到不同折射率界面一样,发生折射与反射,并遵循Snell定律。不同的是,自然界中光传输介质的折射率均为正值。而Veselago早在1968年就预言,如果存在负折射率的介质,人们将能够简单地解决现实应用中各种透镜的像散问题。因此,Veselago透镜也常被称为完美透镜。2007年,科学家在理论上预言石墨烯pn结能够实现Veselago透镜的电子光学(electron optics)版本,只要在该pn结两边通过门电压调控成相反的载流子类别(电子、空穴)。由于切向动量守恒,入射电子将在pn结界面上发生负折射。

近十年来,世界各地科学家均开展了实验观测石墨烯中电子光学的研究工作。然而,该项实验具有很大挑战:(1) 电子不能有任何散射,全程须是弹道输运;(2) pn结界面需要有极小的粗糙度。前者的实现手段为人工堆垛方法,将石墨烯夹持在两块氮化硼之间,藉此隔离杂质散射源并提供原子级平整的基底(Fig. 1(b))。对于后者,如果采用金属门电极,即使利用当今最精密的电子束刻蚀纳米制备也只能做到最小几纳米乃至十几纳米的粗糙度。哥伦比亚大学与国家实验室等科研人员在实验上提出了利用力学解理得到的原子级别长直边界的厚度十几纳米的石墨作为门电极。从而解决了纳米制备不能解决的极小粗糙度问题(Fig. 1(a))。

我们制备的pn结器件在液氦温度下的电磁输运测量表明,上述实验挑战得到满足。通过局域的石墨门电压和远程硅片门电压的调控,该型异质pn结能够借助弱磁场下的磁聚焦手段测量得到高信噪比电子折射行为,首次得到了单位斜率的类光学电子正负折射(Fig. 1(c))。通过这项工作,我们间接地提取了电子在石墨烯pn结界面斜入射角度与透过率之间的联系,通过与理论的比对,推算出我们制备的pn结宽度约为70nm。同时,模拟计算得到的结果与实验数据高度吻合。该工作为电子光学实验及其新型全电控电子开关等方面的应用与发展奠定了基础。

国家实验室与美国哥伦比亚大学、弗吉尼亚大学等团队合作完成了该项研究。该研究成果发表在Science 353 (2016) 1522。.

Fig. 1: Schematic picture of the graphene-BN heterostructure, and the optical image of the final device.


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