石墨烯納米帶

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，從石墨中成功分離出石墨烯，從而證實(shí)石墨烯可以單獨(dú)存在，兩人也因"在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)"共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

事實(shí)上，對(duì)于石墨烯的研究早在2004年前就已經(jīng)在進(jìn)行了，十余年來(lái)，各國(guó)科研人員針對(duì)石墨烯開(kāi)展了大量研究工作，試圖研制出高效、可控的制備石墨烯納米帶的技術(shù)工藝。

基于法國(guó)SOLEIL同步加速器X射線等實(shí)驗(yàn)的研究成果，法美科學(xué)團(tuán)隊(duì)于2012年11月成功研制出一種用于生產(chǎn)石墨烯納米帶半導(dǎo)體的方法?？蒲腥藛T在碳化硅表面刻蝕凹槽，并以此作為基板，通過(guò)控制基板的幾何形狀，在其上形成僅有幾納米寬的石墨烯納米帶。該項(xiàng)技術(shù)可在常溫下進(jìn)行，其制備的石墨烯半導(dǎo)體僅為此前IBM公司所制納米帶的五分之一寬。該技術(shù)可高效、可控地制備石墨烯半導(dǎo)體，為石墨烯規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)帶來(lái)可能，同時(shí)也使新一代高密度集成電路的制備不再遙不可及。石墨烯納米帶生產(chǎn)新工藝的開(kāi)發(fā)成功，使其規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)成為可能。

石墨烯納米帶因其邊緣的不同分為扶手椅型和Z型兩種，其中Z型納米帶為導(dǎo)體，而扶手椅型納米帶為半導(dǎo)體。

石墨烯是一種理想的二維電子氣材料，為研究許多基礎(chǔ)物理現(xiàn)象如量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)湎嘧?、自旋傳輸、超?dǎo)等提供了簡(jiǎn)單的模型系統(tǒng)。石墨烯特性之一是其電子結(jié)構(gòu)對(duì)邊緣非常敏感。其中，鋸齒形邊緣（zigzag-edge）結(jié)構(gòu)尤為引人注意。過(guò)去二十幾年間，研究鋸齒形邊緣石墨烯一直是理論領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。早在1996年，已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大學(xué)M.Fujita和K.Nakada就預(yù)測(cè)了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶中平帶和邊緣態(tài)的存在，為調(diào)控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大學(xué)伯克利分校教授S.Louie等進(jìn)而預(yù)測(cè)了邊緣的自旋極化橫向電場(chǎng)誘導(dǎo)自旋半金屬的形成。到目前為止，鋸齒形邊緣石墨烯的邊緣態(tài)觀測(cè)主要依賴于掃描隧道顯微術(shù)。利用掃描隧道顯微鏡，已經(jīng)驗(yàn)證了石墨烯鋸齒形邊緣處存在局域電子態(tài)，這種電子態(tài)會(huì)沿著邊緣方向一直延伸，但在垂直邊緣的方向迅速衰減；隨著石墨烯納米帶寬度的減小，兩個(gè)鐵磁性的邊緣局域電子態(tài)呈現(xiàn)反鐵磁耦合，進(jìn)而伴隨著納米帶從金屬性向半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變。

相對(duì)于局域的電子態(tài)測(cè)量，研究邊緣態(tài)對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響更加重要，既有助于人們更深入地了解這種電子態(tài)的物理內(nèi)涵，也將為未來(lái)石墨烯納米帶電子和自旋器件的發(fā)展提供重要的物理基礎(chǔ)。然而，這方面的實(shí)驗(yàn)研究一直沒(méi)有突破。存在的挑戰(zhàn)主要包括兩方面：一是如何獲得適合輸運(yùn)研究的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶高品質(zhì)樣品；二是在輸運(yùn)測(cè)量中如何將邊緣態(tài)和“體態(tài)”分離開(kāi)來(lái)以實(shí)現(xiàn)指認(rèn)。

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室N07課題組張廣宇研究員的博士生吳霜、沈成等針對(duì)鋸齒形邊緣石墨烯納米帶開(kāi)展了磁輸運(yùn)測(cè)量研究。利用課題組前期發(fā)展的氫等離子體各向異性刻蝕輔助的石墨烯納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)【參見(jiàn)：Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】，在六方氮化硼絕緣襯底上加工了系列不同寬度的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。通過(guò)掃描隧道顯微鏡原子分辨成像和掃描隧道譜，驗(yàn)證了樣品的高質(zhì)量。進(jìn)而加工了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶三端器件，在強(qiáng)磁場(chǎng)和納米帶的尺寸效應(yīng)共同作用下成功將填充因子為零（ν=0）的“體態(tài)”絕緣，并觀測(cè)到一個(gè)和邊緣態(tài)相關(guān)的電導(dǎo)峰，且此電導(dǎo)峰具有不隨溫度和磁場(chǎng)變化的魯棒性。同時(shí)，通過(guò)非局域（non-local）測(cè)量也在零磁場(chǎng)下觀測(cè)到了一個(gè)電壓信號(hào)，其能量位置與磁輸運(yùn)下的電導(dǎo)峰一致，進(jìn)一步證實(shí)了邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。此外，在邊緣無(wú)序的石墨烯納米帶對(duì)比樣品中，這種邊緣輸運(yùn)特征并未出現(xiàn)，證實(shí)這種邊緣導(dǎo)電是鋸齒形邊緣所獨(dú)有。

相關(guān)結(jié)果于2018年5月22日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。本工作中，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶樣品的掃描隧道顯微鏡表征是和表面物理實(shí)驗(yàn)室SF06組王煒華副研究員及博士生劉冰（共同第一作者）合作完成；北京理工大學(xué)的姚裕貴教授及其博士生李思為本工作提供了理論解釋方面的幫助。工作得到了基金委（61325021／91223204）和科學(xué)院項(xiàng)目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

文章鏈接： https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.216601

文章來(lái)源：中科院物理所

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石墨烯是一種理想的二維電子氣材料，為研究許多基礎(chǔ)物理現(xiàn)象如量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)湎嘧?、自旋傳輸、超?dǎo)等提供了簡(jiǎn)單的模型系統(tǒng)。石墨烯特性之一是其電子結(jié)構(gòu)對(duì)邊緣非常敏感。其中，鋸齒形邊緣（zigzag-edge）結(jié)構(gòu)尤為引人注意。過(guò)去二十幾年間，研究鋸齒形邊緣石墨烯一直是理論領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。早在1996年，已故麻省理工教授M.Dresselhaus及其合作者日本筑波大學(xué)M.Fujita和K.Nakada就預(yù)測(cè)了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶中平帶和邊緣態(tài)的存在，為調(diào)控石墨烯的物性提供了新的思路；2006年加州大學(xué)伯克利分校教授S.Louie等進(jìn)而預(yù)測(cè)了邊緣的自旋極化橫向電場(chǎng)誘導(dǎo)自旋半金屬的形成。到目前為止，鋸齒形邊緣石墨烯的邊緣態(tài)觀測(cè)主要依賴于掃描隧道顯微術(shù)。利用掃描隧道顯微鏡，已經(jīng)驗(yàn)證了石墨烯鋸齒形邊緣處存在局域電子態(tài)，這種電子態(tài)會(huì)沿著邊緣方向一直延伸，但在垂直邊緣的方向迅速衰減；隨著石墨烯納米帶寬度的減小，兩個(gè)鐵磁性的邊緣局域電子態(tài)呈現(xiàn)反鐵磁耦合，進(jìn)而伴隨著納米帶從金屬性向半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變。

相對(duì)于局域的電子態(tài)測(cè)量，研究邊緣態(tài)對(duì)石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的影響更加重要，既有助于人們更深入地了解這種電子態(tài)的物理內(nèi)涵，也將為未來(lái)石墨烯納米帶電子和自旋器件的發(fā)展提供重要的物理基礎(chǔ)。然而，這方面的實(shí)驗(yàn)研究一直沒(méi)有突破。存在的挑戰(zhàn)主要包括兩方面：一是如何獲得適合輸運(yùn)研究的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶高品質(zhì)樣品；二是在輸運(yùn)測(cè)量中如何將邊緣態(tài)和“體態(tài)”分離開(kāi)來(lái)以實(shí)現(xiàn)指認(rèn)。

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室N07課題組張廣宇研究員的博士生吳霜、沈成等針對(duì)鋸齒形邊緣石墨烯納米帶開(kāi)展了磁輸運(yùn)測(cè)量研究。利用課題組前期發(fā)展的氫等離子體各向異性刻蝕輔助的石墨烯納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)【參見(jiàn)：Adv. Mater. 22, 4014 (2010); Adv. Mater. 23, 3061 (2011); Appl. Phys. Lett. 109, 053101 (2016)】，在六方氮化硼絕緣襯底上加工了系列不同寬度的鋸齒形邊緣石墨烯納米帶。通過(guò)掃描隧道顯微鏡原子分辨成像和掃描隧道譜，驗(yàn)證了樣品的高質(zhì)量。進(jìn)而加工了鋸齒形邊緣石墨烯納米帶三端器件，在強(qiáng)磁場(chǎng)和納米帶的尺寸效應(yīng)共同作用下成功將填充因子為零（ν=0）的“體態(tài)”絕緣，并觀測(cè)到一個(gè)和邊緣態(tài)相關(guān)的電導(dǎo)峰，且此電導(dǎo)峰具有不隨溫度和磁場(chǎng)變化的魯棒性。同時(shí)，通過(guò)非局域（non-local）測(cè)量也在零磁場(chǎng)下觀測(cè)到了一個(gè)電壓信號(hào)，其能量位置與磁輸運(yùn)下的電導(dǎo)峰一致，進(jìn)一步證實(shí)了邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。此外，在邊緣無(wú)序的石墨烯納米帶對(duì)比樣品中，這種邊緣輸運(yùn)特征并未出現(xiàn)，證實(shí)這種邊緣導(dǎo)電是鋸齒形邊緣所獨(dú)有。

相關(guān)結(jié)果于2018年5月22日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上【Phys. Rev. Lett. 120, 216601 (2018)】。本工作中，鋸齒形邊緣石墨烯納米帶樣品的掃描隧道顯微鏡表征是和表面物理實(shí)驗(yàn)室SF06組王煒華副研究員及博士生劉冰（共同第一作者）合作完成；北京理工大學(xué)的姚裕貴教授及其博士生李思為本工作提供了理論解釋方面的幫助。工作得到了基金委（61325021／91223204）和科學(xué)院項(xiàng)目（XDPB0602／XDB07010100／OYZDB-SSW-SLH0004）的支持。

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編輯：太陽(yáng)騎士07