[論文レビュー] Changes in Fermi surface topology and Hofstadter quantization in graphene superlattices

Л. А. Пономаренко, Roman Gorbachev+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Graphene research and applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、グラフェンを六方窒化ホウ素（hBN）に整列させることでモアレ超格子が形成され、グラフェンの電子構造が顕著に変化することを示した。これにより、高次元のディラック点が生成され、ホフスタッター型の量子化が可能になる。外部磁場下でのホール効果の逆転および複数の中性点の観測は、有効質量の可変性およびディラック点のザーク型クローン化を確認し、ヴァン・デル・ワールス異種接合を用いた2次元電子状態の制御可能なプラットフォームを明らかにした。

ABSTRACT

Lateral superlattices have attracted major interest as this may allow one to modify spectra of two dimensional electron systems and, ultimately, create materials with tailored electronic properties. Previously, it proved difficult to realize superlattices with sufficiently short periodicity and weak disorder, and most of the observed features could be explained in terms of commensurate cyclotron orbits. Evidence for the formation of superlattice minibands (so called Hofstadter's butterfly) has been limited to the observation of new low-field oscillations and an internal structure within Landau levels. Here we report transport properties of graphene placed on a boron nitride substrate and accurately aligned along its crystallographic directions. The substrate's moire potential leads to profound changes in graphene's electronic spectrum. Second-generation Dirac points appear as pronounced peaks in resistivity accompanied by reversal of the Hall effect. The latter indicates that the sign of the effective mass changes within graphene's conduction and valence bands. Quantizing magnetic fields lead to Zak-type cloning of the third generation of Dirac points that are observed as numerous neutrality points in fields where a unit fraction of the flux quantum pierces the superlattice unit cell. Graphene superlattices open a venue to study the rich physics expected for incommensurable quantum systems and illustrate the possibility to controllably modify electronic spectra of 2D atomic crystals by using their crystallographic alignment within van der Waals heterostuctures.

研究の動機と目的

• グラフェン/hBN異種接合におけるモアレ超格子が電子状態およびフェルミ面トポロジーに与える影響を調査すること。
• 整列したグラフェン超格子において、高次元ディラック点の形成とその輸送的特徴を調査すること。
• 特に準周期的領域において、磁場下でのホフスタッター型の量子化を観測・特徴づけること。
• ヴァン・デル・ワールス異種接合における結晶方位の整列を用いて、有効質量およびキャリアの種類を制御することを実証すること。

提案手法

• グラフェンを六方窒化ホウ素（hBN）にエpitaxialに整列させ、10 nm未満の周期性を持つ周期的モアレポテンシャルを形成すること。
• 高磁場下における電気的輸送特性、特に縦方向およびホール抵抗の測定。
• 量子振動および中性点の分析を通じて、超格子ミニバンドおよび高次元ディラック点の形成を同定すること。
• 磁場を用いて超格子ユニットセルを貫通する磁束を調整し、分数単位の磁束量子化効果の観測を可能にすること。
• 抵抗およびホール効果の周期性から、ザーク型バンドクローン化を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 整列したグラフェン/hBN異種接合からのモアレポテンシャルが、グラフェンのフェルミ面トポロジーおよび電子バンド構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 グラフェン超格子において、高次元ディラック点が形成された際の輸送的特徴は何か？
• RQ3 磁場下において、グラフェン超格子でホフスタッター型の量子化を実験的に観測できるか。その検出に必要な条件は何か？
• RQ4 超格子バンド構造に沿って、グラフェン中のキャリアの有効質量はどのように変化するか。その変化を裏付ける証拠は何か？
• RQ5 ヴァン・デル・ワールス異種接合における制御された結晶方位の整列によって、2次元材料の電子状態はどの程度制御可能になるか？

主な発見

• 第二世代ディラック点が、明確な抵抗ピークとして現れ、それに伴いホール効果の逆転が観測され、キャリアの有効質量の符号変化を示している。
• ホール効果の逆転は、グラフェンの伝導帯および価電子帯の両方で有効質量の符号が反転していることを確認している。
• 磁場により第三世代ディラック点のザーク型クローン化が誘発され、超格子ユニットセルに磁束量子の単分数が貫通する際に、複数の中性点として観測された。
• 新たな低磁場振動および内部ランダウ準位構造の出現は、ホフスタッターのバタフライスペクトルに一致する超格子ミニバンドの形成を支持している。
• 本系は、ヴァン・デル・ワールス異種接合における正確な整列を用いて、2次元材料の電子状態を制御可能なプラットフォームを示している。
• 観測された輸送現象は、準周期的量子効果に起因するとされ、2次元原子結晶における複雑な量子系の研究の可能性を示している。