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Nature子刊：石墨烯/磷烯異質(zhì)結(jié)贗磁場

2018-06-29 11:18:49 作者：LOH Kian Ping組來源：納米人分享至：

研究亮點：

1. 首次通過構(gòu)建石墨烯/磷烯異質(zhì)結(jié)，成功觀測到由晶格失配誘導產(chǎn)生的非局域的贗磁場。

2. 該贗磁場的空間分布和振幅大小可通過兩種晶體材料的晶向夾角來調(diào)節(jié)。

3. 在微米級霍爾器件中，額外的引入一外磁場，首次觀測到谷霍爾效應(yīng)。

在二維電子氣系統(tǒng)，贗磁場因其可以導致贗朗道能級和谷霍爾效應(yīng)等而廣受追捧。但目前，贗磁場的研究僅僅局限于褶皺、氣泡等微納米級局部區(qū)域，大面積、平面內(nèi)的可控制備依然是該研究領(lǐng)域的一大難題。而據(jù)理論預測，對石墨烯施加一個三重對稱的外界應(yīng)力可以實現(xiàn)均勻贗磁場的產(chǎn)生。受限于實驗的高要求和高難度，但該實驗方案仍停留在理論預測階段而并未得到有效的實驗開展。

有鑒于此，新加坡國立大學研究人員LOH Kian Ping、Jiong Lu、ShaffiqueAdam合作，在實驗中首次發(fā)現(xiàn)了樣品尺寸大小的非局域贗磁場的調(diào)控方法。

圖 a）實驗上觀測到的莫爾條紋；b）應(yīng)力下的莫爾條紋的理論計算； c）與之對應(yīng)的贗磁場的空間分布。

在本研究工作中，通過把六方石墨烯鋪設(shè)到正交晶格的磷烯上面，使得石墨烯的碳原子受到晶格失配引起的應(yīng)力（包含剪切力等），從而扭曲形變促成超晶格（莫爾條紋）的形成，最終導致周期性波動的贗磁場的產(chǎn)生。借助掃描隧道顯微鏡（STM，如圖1a），我們成功地捕捉到莫爾條紋的形成，而莫爾條紋的周期性很大程度上取決于兩類晶體材料間的轉(zhuǎn)角（θ，如圖1b）。

圖 1. 石墨烯/磷烯（G/BP）范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)及其晶體間的轉(zhuǎn)角（θ）

由于石墨烯的晶格矢量與磷烯兩種不同方向的晶格矢量的相互交疊，會形成兩種不同周期性的莫爾條紋（如圖2所示）。石墨烯和磷烯的晶格常數(shù)及相對轉(zhuǎn)角可由對STM圖像做傅里葉轉(zhuǎn)換（fast Fourier transform）直接獲取。通過與標準晶格常數(shù)對比，我們發(fā)現(xiàn)兩種晶體材料在莫爾條紋的形成過程中都受到不同程度的應(yīng)力形變。

圖 2. 實驗上由STM觀測到不同轉(zhuǎn)角下的莫爾條紋

在嘗試從理論角度解釋莫爾條紋的形成過程中，我們發(fā)現(xiàn)只有使用經(jīng)歷應(yīng)力之后的晶格參數(shù)才能很好地重復實驗結(jié)果（圖3. a）。隨后，通過逐個提取出每個石墨烯晶胞的坐標參數(shù)，依據(jù)massless DiracHamiltonian方程，我們獲得了如圖3.b所示的贗磁場空間分布。該周期性波動的贗磁場基本與莫爾條紋的分布相對應(yīng)，因而可以擴展到大面積尺寸，實現(xiàn)樣品大小的連續(xù)贗磁場分布。通過總結(jié)不同轉(zhuǎn)角下的晶格常數(shù)，依據(jù)an extension ofHermann's formalism方程，我們發(fā)現(xiàn)平面內(nèi)的應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角的增加而單調(diào)減小。該實驗規(guī)律十分重要，為我們對贗磁場的大小控制提供有力的依據(jù)。

圖 3. 贗磁場的空間分布及隨轉(zhuǎn)角單調(diào)變化的應(yīng)力

根據(jù)理論計算（DFT），碳原子和磷原子在能量最低的系統(tǒng)下都經(jīng)歷了不同程度的應(yīng)力形變（如磷烯：~0.9% 沿zigzag方向； ~6% 沿armchair 方向。石墨烯： ~0.6% 沿zigzag方向； ~1.2%沿armchair 方向）。同時，軌道雜化過程也體現(xiàn)出了各向異性，合理解釋了該異質(zhì)結(jié)體系剪切力等應(yīng)力的形成原因。

圖 4. 石墨烯/磷烯異質(zhì)結(jié)的第一性原理研究：結(jié)構(gòu)與電子形態(tài)

通過測量與比對石墨烯、磷烯以及異質(zhì)結(jié)的功函數(shù)，能帶結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯的狄拉克點位于多層磷烯的價帶邊緣（VBM，圖5a）附近，而且石墨烯受到了不同程度的電子摻雜。這些結(jié)果和等同應(yīng)力下石墨烯和多層磷烯的理論計算相吻合（圖5b）。在不同的應(yīng)力作用下，贗磁場誘導的贗朗道能級（pLLs）的間隔也隨之不同。如圖。5c所示，四種轉(zhuǎn)角樣品的掃描隧道譜（STS, 反映局域電子的態(tài)密度）呈現(xiàn)出不同的贗朗道能級分布。通過分析，對于 θ 及等轉(zhuǎn)角樣品，與之對應(yīng)的贗磁場強度分別達到 ,,T 和，與之前測量的平面內(nèi)應(yīng)力變化趨向一致：隨轉(zhuǎn)角增大而強度減少。