Science：彈道石墨烯P-N結處的電子光學現象

【引語】

因為彈道電子在均勻的二維電子氣之中的表現和光相似，當電子穿過彈道半導體結的時候，會發生和自然環境中的光束穿過光學界面時相似的反射，這說明了可以通過器件像幾何光學操縱光子一樣來操控電子。由于石墨烯零帶隙的能帶結構，可以通過簡單的柵極電調控形成高度透明的石墨烯P-N結，石墨烯極高的本征電子遷移率可以實現在室溫下發生微米尺度的彈道傳輸，石墨烯也因此成為了研究固體中的電子光學的理想平臺。

【成果簡介】

美國哥倫比亞大學的Shaowen Chen，Zheng Han和Cory R. Dean（共同通訊作者）等提出使用橫向電磁聚焦來研究載流子在石墨烯電調制石墨烯P-N結處的傳播。經研究發現，電子在該界面處觀察到的正反射和負反射均滿足斯涅耳定律，此外，研究人員還利用P-N結處的共振透射直接測定電子反射角度與透射系數之間的關系。

【圖文介紹】

圖一 ：器件結構及電子反射原理

圖a : 利用橫向磁場來聚焦電子使其以不同的角度進入P-N結。電子回旋半徑決定其入射角度。通過兩個柵極電壓控制電子入射界面處的不同密度，不同電子密度決定了不同的反射角度。

圖b: 通過三個例子分別展示了不同的共振路徑。

圖c : 該分離柵器件的頂視圖和截面圖。

圖二 ： 電子的斯涅耳定律

圖a : 1.7K下，石墨柵極區域保持在一定的P型摻雜濃度時，P-N結的并聯電阻值。

圖b: a圖中數據的模擬結果。

圖c : P-P型結（頂部）和P-N型結（底部）的電子共振軌跡線。

圖d : 從最低的諧振模式來繪制峰的位置和磁場B的圖像，其中P-P和P-N數據點可以從A圖得到。

圖e : 從峰的位置計算得到斯涅耳定律的參數。

圖f : 透射密度和入射角度之間的關系。

圖三 ：Veselago 透鏡仿真

圖中展示了在不同P-N結寬度下透射概率的變化。圖中插圖分別展示了突變結和緩邊結的模擬電子軌跡。理論上，由于負折射跨越P-N結的的發散電子會聚焦在一個等距點上，而緩邊結中由于大多數電子被反射，因此不能觀察到Veselago聚焦。

圖四：溫度依賴性

圖a和b 分別展示了P-P型結和P-N型結的共振峰的高度在各種溫度下與磁場之間的關系。圖中可以觀察到在溫度為70K左右時，共振峰會幾乎消失，在這個溫度下石墨烯的自由程接近于器件的共振路徑長度（≈7μm）。

【小結】

該文章最后將實驗數據和模擬的結果進行比較，發現P-N結的有效寬度對結果起著重要的作用，這為未來的器件設計提供了一定的指導，實驗的結果也為實現基于石墨烯P-N結的電子光學奠定了基礎。

文獻連接 ：Electron optics with p-n junctions in ballistic grapheme （Science，2016，DOI: 10.1126/science. aaf5481）

本文由材料人電子電工學術組徐瑞供稿，材料牛整理編輯。

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