南科大俞大鵬&北大廖志敏Adv. Mater.：2D-3D狄克拉半金屬異質結

【引言】

石墨烯是一種二維狄拉克材料，通過表/界面工程構筑范德瓦爾斯異質結可以有效地調制材料的性能。三維狄拉克半金屬在三個動量方向都具有線性能帶色散關系，通過破壞時間反演對稱性或空間反演對稱性，可以轉化為Weyl半金屬。Weyl半金屬的一個重要特征是手性反常效應，在電場與磁場平行的情況下，手征電荷轉移產生負磁電阻效應。3D狄拉克或Weyl半金屬的另一個標志是具有費米弧形狀的拓撲表面態，并已經被角分辨光電子能譜和Weyl軌道相關的量子振蕩實驗所證實。

【成果簡介】

近日，來自南方科技大學俞大鵬與北京大學廖志敏（通訊作者）的團隊在Adv. Mater.上發表了題為Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd₃As₂ on 2D Graphene的文章。該團隊通過直接堆疊制備了石墨烯-Cd₃As₂異質結。電子態耦合導致顯著的層間電荷轉移，通過Cd₃As₂的堆疊能有效調節石墨烯的費米能級，并實現了石墨烯平面p-n-p結，展示出量子化的電導平臺。此外，與裸石墨烯器件相比，石墨烯/Cd₃As₂混合器件呈現出很大的非局域（non-local）信號，這是由于Cd₃As₂中自旋極化表面態轉移到石墨烯中所導致的自旋極化的電子輸運。該結果豐富了范德華異質結家族，將激發更多的關于狄克拉半金屬在自旋電子學中應用的研究。南方科技大學博士后吳燕飛是本研究的第一作者。

【圖文導讀】

圖1：石墨烯/ Cd₃As₂異質結的表征

(a): 典型的Cd₃As₂納米片的HRTEM圖；

(b): 石墨烯/Cd₃As₂異質結器件的示意圖；

(c): 典型石墨烯/Cd₃As₂異質結器件的SEM圖；

(d): 石墨烯/Cd₃As₂異質結的縱向電阻率的溫度依賴特性。

圖2：零磁場下異質界面的電荷轉移

(a): Rxx的轉移曲線；

(b): R_L的轉移曲線；

(c):未覆蓋的石墨烯和Cd₃As₂覆蓋的石墨烯的能帶圖；

(d):石墨烯/Cd₃As₂異質結的能帶示意圖。

圖3：石墨烯/Cd₃As₂異質結量子化電導

(a): 在不同磁場下，兩端電導隨柵極電壓的變化關系；

(b): 在-14 T磁場下，兩端電導隨柵極電壓的變化關系；

(c): 隨著Vg從負值向正值掃描，體系經歷三種狀態：p+-p –p+，p-n-p，n-n⁺-n，并顯示電導平臺的變化。

圖4：在平面內磁場下的局域和非局域電子輸運

(a): 零磁場及不同溫度下，非局域電阻隨柵極電壓變化關系；

(b): 不同平面內磁場下， R_L隨柵極電壓變化關系；

(c): 溫度1.4 K及不同平面內磁場下，非局域電阻R_NL隨柵極電壓變化關系；

(d): 在狄克拉點處的R_NL隨磁場依賴特性。

【小結】

該團隊制備了石墨烯-Cd₃As₂異質結，并通過局域和非局域測量研究了它們的量子輸運特性。這種石墨烯-Cd₃As₂異質結能夠自然地形成石墨烯p-n-p結，并展現出兩端電導的量子平臺。此外，石墨烯-Cd₃As₂異質結在狄拉克點附近顯示出大的非局域電阻，這表明自旋極化的載流子從Cd₃As₂注入到石墨烯。研究結果表明狄克拉半金屬可以作為自旋極化的電荷源，并有望推進自旋電子學的研究。

文獻鏈接：Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd₃As₂ on 2D Graphene（Adv. Mater.2018, DOI: 10.1002/adma.201707547）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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