石墨烯纳米带中的电子结构与电子输运

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近年来,石墨烯纳米带由于其具有可调控的能隙及特殊的边缘磁性而受到研究人员的广泛关注。但是到目前为止,受限于石墨烯纳米带材料的质量,学界对于石墨烯纳米带中电子输运的理解尚不完善:先前的一系列结果显示,在纳米带制备过程中很容易产生边缘缺陷,而这部分缺陷会引入缺陷态,显著的影响纳米带中的电子结构和输运过程。本论文首先尝试运用超声剖开碳纳米管的方法制备具有光滑边缘的高质量石墨烯纳米带,进一步利用高磁场条件(55T),研究在石墨烯纳米带这种准一维体系中的磁输运过程。论文得到了如下一系列研究结果:  1.利用超声剖开温和氧化后的多壁碳纳米管,制备了石墨烯纳米带。表征显示,该种纳米带宽度分布10-30nm,具有原子级别的光滑边缘,绝大部分为双层,层间夹角及边缘取向随机。加工后的纳米带晶体管器件的载流子迁移率最高达到2500cm2/Vs,电子自由程最高达到50nm,均超越了前人的记录,表明体系中缺陷散射对输运的影响很有限。  2.纳米带器件在高磁场(最高到55T)下的输运测量显示出一个普适的量子电阻平台(对应h/4e2),表明纳米带进入了手征边缘态输运状态,这也是目前为止在石墨烯纳米带上观测到量子霍尔效应特征的最窄记录,再次体现出纳米带的高质量。实验上我们仅观测到一个N=0朗道能级对应的量子电阻平台,并未观测到更高阶朗道能级对应的平台。模拟计算结果表明,N=0朗道能级对应的边缘态空间分布在高磁场下(>30T)被约束在纳米带半宽内,两边的边缘电流在仅20nm的尺度内得以分离,而对于更高阶朗道能级对应的边缘态,其空间分布仍然超过了纳米带半宽,边缘态手性被破坏,因此阻止了量子电阻平台的出现。  3.一小部分纳米带器件的量子电阻平台内部出现了电阻峰形式的平台扰动,随着掺杂浓度的提高,该电阻峰的位置系统地移向更高磁场。结合输运模拟,我们将该电阻峰的成因定性的归于体系内的长程势能杂质对应的准束缚能态引起了边缘间散射,在特定掺杂能量和特定磁场处破坏了边缘电流手征性。
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