Science：斯坦福大學研究人員在石墨烯/六方氮化硼異質結研究中取得新進展

【引言】

在固體中，電子的量子本質生成了能帶結構，它控制著電子的傳導和材料的光學性能。同樣，長程超晶格能產生微能帶結構，其分散在一個更好的能量尺度內，這個能量尺度跨越了一個縮減的布里淵區（布里淵區內會產生諸如負微分電導和布洛赫振蕩等現象）。然而，制備長程周期模式極具挑戰性，需要調節電勢來形成分散性好的微能帶結構但不能破壞材料的質量和電子相干性。大多數關于橫向花紋半導體異質結的實驗揭示了經典的可公度性效應，可并不需要微能帶結構。盡管有關于在有序超晶格中費米表面重建的證據，費米表面的細節都被微能帶結構和順向磁分解之間弱分離現象所湮沒。

高質量的石墨烯/六方氮化硼（h-BN）范德華異質結（偏差角小于1°）的到來大大改變了這一現狀。在這一系統中，石墨烯中電子的周期電勢被兩種晶體間的不一致所產生的六邊形莫爾條紋所利用。迪拉克電子的微能帶結構已通過掃描隧道、電容和光學顯微鏡證明，包括磁運輸。這些研究闡釋了被稱作霍夫施塔特蝴蝶的電子結構，它出現在一個量子化的磁場中。

二維金屬內電子回旋器軌道的形狀是一個費米表面90°旋轉的形狀，載體沿軌道順時針或者逆時針旋轉。靠近金屬邊界的電子軌道通向躍遷軌道，其躍遷方向取決于載體的有效電荷。這些躍遷軌道在聚焦線上突出，導致了橫向電子聚焦（TEF）效應。

【成果簡介】

近日，來自美國斯坦福大學的David Goldhaber-Gordon（通訊作者）等通過測量同一磁場中相鄰觸體間的軌道運輸，被稱作橫向電子聚焦效應，來研究moiré微能帶中電子的動力學特征。在低溫下，研究人員觀察到躍遷軌道的焦散線在數以百計的超晶格周期方向延展，為連續微能帶逆轉了回旋加速器的回旋，終止了在范霍夫奇點附近的回旋運動。在高溫下，電子與電子間的碰撞抑制了聚焦。研究這類微能帶的傳導性能在設計超晶格器件中新型的運輸行為很有必要。

【圖文導讀】

圖1：實驗概念圖

（A）實驗裝置示意圖，覆蓋在一張設備的照片上。綠色部分顯示的是h-BN/石墨烯/h-BN雙分子層異質結。紫色部分是SiO₂基底，虛線表示的是石墨烯層的上邊界；

（B）發射于發射器（紅星處）的躍遷軌道模擬圖。電子軌道束沿著聚焦線（紅色虛線）聚焦于指向邊界的等軸陣列；

（C）橫向電子聚焦（TEF）圖譜。

圖2：基準溫度下的TEF圖譜

（A）石墨烯/h-BN超晶格微能帶圖。每一個所能觀察到的微能帶都被標記；

（B）根據觸發電壓下的TEF圖譜。黑色虛線代表B₁，B₃和B₆，是在費米能級接近狄拉克點情況下一些預期的峰位置。綠色虛線代表由于回旋加速器運動中止所造成的TEF突然的終止；

（C）根據V_g下的TEF圖譜。

圖3：模擬躍遷軌道

在石墨烯/h-BN超晶格邊界處的發射器發射出的躍遷軌道的幾個代表性模擬圖。

圖4：TEF圖譜與溫度之間的關系

（A）V_M/I_L減去平滑的背景，得到電子密度，并且溫度升至150K。升高溫度可以抑制TEF；

（B）圓圈和三角形代表有效散射率，綠色粗線代表理論散射率，這與電子間的相互關系有關，方塊和菱形代表聲子的散射率。

【小結】

和操縱軌跡運輸在電子系統中研究低能物理的一種強大手段。本文中，從發射器自由發出的準粒子到收集器的軌道軌跡在10mm左右，大約是700個超晶格周期。超冷原子的軌道運動已經在均勻光學晶格中被觀察到，晶格大小在100個晶胞大小左右，但在固態下一維超晶格半導體中電子的平均自由程僅限于10個晶胞大小。實驗闡釋了在moiré超晶格中微能帶電子動力學的關鍵特征，并且點出了新型運輸效應進一步探索的方向。在技術層面，這樣一個微能帶傳導性能的明確驗證暗示石墨烯/h-BN是一種基于微能帶物理設備的實用平臺。在磁場中石墨烯超晶格的邊緣產生的高效的光電流可能是由研究人員所觀察到的躍遷軌道所造成的；此外，Hz設備如布洛赫振蕩器能得益于該系統中更長的散射時間。

文獻鏈接：Ballistic miniband conduction in a graphene superlattice（Science, 2016, DOI: 10.1126/ science.aaf1095）

本文由材料人編輯部納米組Jun han Kong供稿，材料牛編輯整理。

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