[論文レビュー] Biased bilayer graphene: semiconductor with a gap tunable by electric field effect

Eduardo V. Castro, J. M. B. Lopes dos Santos+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2006

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、電界を用いることで、バイレイヤー石墨烯の電子バンドギャップを0から0.2 eVを超える値へと制御可能であることを示している。これにより、ギャップが制御可能な半導体に転換される。磁気輸送測定とタイトバインディングモデルを用いて、ゲート電圧が層間ポテンシャル差を引き起こし、ギャップを誘発することを示した。これは、明確なゼロホール伝導度プラトーとサイクロトロン質量の非対称性によって確認され、電子的およびオプトエレクトロニクス的応用のチューナブル化を可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate that the electronic gap of a graphene bilayer can be controlled externally by applying a gate bias. From the magneto-transport data (Shubnikov-de Haas measurements of the cyclotron mass), and using a tight binding model, we extract the value of the gap as a function of the electronic density. We show that the gap can be changed from zero to mid-infrared energies to a value as large as 0.3 eV by using fields of < 1 V/nm, below the electric breakdown of SiO2. The opening of a gap is clearly seen in the quantum Hall regime.

研究の動機と目的

• 電界を用いた外部制御によって、バイレイヤー石墨烯の電子バンドギャップを制御することを示すこと。
• 層間バイアス下におけるバイレイヤー石墨烯の半導体的挙動の出現を調査すること。
• 観測された量子ホール効果とチューナブルなエネルギー準位ギャップの開きとの間の関係を確立すること。
• 磁気輸送およびARPESを含む実験データと理論的モデルのバンド構造を検証すること。

提案手法

• SiO2/Si基板上に機械的剥離法を用いてバイレイヤー石墨烯デバイスを形成し、バックゲート付きホールバー構造をとる。
• ゲート電圧を印加してキャリア密度を調整し、層間ポテンシャル差を誘発することで、層間に電界を生成する。
• 低温磁気輸送測定（シューブニコフ＝ド・ヘース効果）を実施し、サイクロトロン質量を抽出し、ランダウ準位の量子化を検出する。
• 電子間相互作用およびスクリーニング効果を含めるために、ハートリー近似を用いたタイトバインディングモデルを用いる。
• 磁場下におけるジグザグ端を持つナノリブのエネルギースペクトルをモデル化し、σxy = 0 での観測された量子ホールプラトーを説明する。
• 理論的予測を角度分解光電子分光法（ARPES）データと照合して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイレイヤー石墨烯の電子バンドギャップは、電界を用いて外部からチューニング可能か？
• RQ2 印加されたゲート電圧とそれによるバイレイヤー石墨烯のエネルギー準位ギャップの関係は何か？
• RQ3 チューナブルなギャップが量子ホール効果にどのように現れるか？
• RQ4 層間結合およびスクリーニングが、誘起ギャップの大きさに果たす役割は何か？
• RQ5 観測されたサイクロトロン質量の非対称性が、電界でチューニング可能なギャップの存在をどの程度確認できるか？

主な発見

• バイアスをかけたバイレイヤー石墨烯では、ゼロホール伝導度（σxy = 0）に明確なプラトーが観測され、中性点でギャップを持つ絶縁体状態を示している。
• サイクロトロン質量がキャリア密度に対して強く非対称であることは、電界でチューニング可能なエネルギー準位ギャップが存在することを直接示す実験的証拠である。
• 1 V/nm未満のゲート電界を用いることで、ギャップを0から0.2 eVを超える値へとチューニング可能であり、SiO2の破壊閾値をはるかに下回っている。
• ゼロホールプラトーは、4 Kで150 kΩを超える縦方向抵抗を伴っており、中性点での絶縁体状態を確認している。
• ハートリー補正を含むタイトバインディングアプローチによる理論的モデリングは、実験データを再現し、ギャップの開きのメカニズムを説明している。
• 理論的エネルギースペクトルとARPES測定値との間には良好な一致が得られ、モデルの正確性が裏付けられている。