基于石墨烯电双层结构层间拖拽效应研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jasonlau999
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两个邻近但彼此绝缘的导电层之间的相互作用一直以来都是凝聚态物理研究的热点,这主要是因为这种体系中可能存在新颖的层间关联电子态,比如层间分数量子霍尔态、间接激子凝聚态、增强的层间隧穿和激子超流态等等。如果在这种电双层体系的其中一层通入电流,另外一层的载流子会被拖拽着做定向运动,此时拖拽效应的大小直接反映了层间相互作用的强弱。因此,层间拖拽效应的测量是研究电双层体系层间相互作用的重要实验手段。石墨烯是一种具有特殊能带结构和手性特征的二维材料,近年来随着石墨烯转移技术的发展,石墨烯和氮化硼构成的电双层结构引起了人们广泛的关注和研究。与传统的半导体二维电子气体系相比,石墨烯电双层结构具有诸多优势,比如通过改变栅压可以大范围调节石墨烯的载流子浓度和极性,利用超薄的氮化硼作为层间绝缘层可实现很小的层间距,使用单层或者双层的石墨烯可实现不同的能带色散等等。因此,石墨烯电双层结构是研究层间强耦合以及不同能带结构体系层间拖拽行为的理想平台。基于以上出发点,本论文主要研究在强耦合或外加磁场下,不同石墨烯电双层异质结中的层间拖拽效应,论文结构安排如下:第一章,主要介绍石墨烯体系的特性以及拖拽效应的研究进展。首先介绍单层和双层石墨烯的晶体结构和能带色散。然后介绍石墨烯基本的电输运特性,包括双极性电场效应、量子干涉效应导致的弱局域化和弱反局域化行为以及独特的量子霍尔效应。最后系统地介绍传统二维半导体体系和石墨烯体系的拖拽效应研究进展,特别是石墨烯体系在外加磁场下的研究现状。第二章,简述了器件制备、表征以及电输运测试过程中应用的技术手段,包括器件转移技术、样品表征技术、微纳加工技术以及器件基本电输运测试和层间拖拽测试技术。第三章,通过构造具有氮化硼间隔层的单层/双层石墨烯异质结,系统研究了无质量/有质量费米子的层间拖拽行为。我们发现在双电中性点处的拖拽电阻(Rdrag)具有正的大数值,并且表现出非单调的温度依赖关系。这种在双电中性点附近异常的拖拽行为主要来源于电子-空穴puddles的反向分布。当两层载流子浓度大小相同时(n=|nS|=|nB|,随着载流子浓度不断减小,Rdrag的载流子浓度依赖关系从1/n3过渡到1/n2,即体系由层间弱耦合过渡到强耦合,这与理论上预言的无质量/有质量费米子的拖拽行为一致。进一步研究强耦合区间Rdrag载流子浓度依赖关系,我们发现了一个更加普适的依赖关系:Rdrag∝1/(|nS|+|nB|)2。第四章,在此前拖拽效应的研究基础上,我们进一步构筑了多种不同类型的石墨烯基电双层结构,系统探索了外磁场下的拖拽效应,并揭示了一类新型的层间量子干涉效应。通过测量氮化硼间隔层的双层/双层石墨烯异质结在磁场下的拖拽行为,发现了两种典型的磁阻行为:电子-电子区间的正拖拽磁阻和电子-空穴区间的负拖拽磁阻。在研究这两种拖拽磁阻行为的载流子浓度依赖、温度依赖和层间距依赖关系后发现,只有引入层间量子相干杂质散射导致的弱局域修正才能够解释这种异常的磁阻行为。同时,与氮化硼间隔层的单层/单层石墨烯异质结拖拽磁阻行为对比,发现这种弱局域化修正的拖拽效应的出现与否与石墨烯能带色散的类型无关,但是色散不同却会影响这种弱局域化修正效应的强弱,表明这种层间相干的弱局域化修正依赖于具体杂质散射的细节。第五章,相较于前几章研究主要集中在远离石墨烯电中性点的参数区间,本章我们将聚焦电中性点处的新奇拖拽效应。通过对氮化硼间隔层的双层/双层石墨烯异质结系统性测试,我们发现当底层双层石墨烯的费米面处于电中性点附近时,外加磁场可以诱导出反常且巨大的拖拽电阻,并且其随着磁场和温度都表现出非单调的依赖行为。此外,这种效应只有在层间距比较大时才可以观察到,而随着层间距减小效应会消失。我们认为这一效应可能与磁场下双层石墨烯中载流子的多带填充有关。
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