[論文レビュー] Electronic Structures and Their Landau Quantizations in Twisted Graphene Bilayer and Trilayer

Long‐Jing Yin, Jia-Bin Qiao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Graphene research and applications参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、ねじれグラフェンバイレイヤーおよびトリレイヤーにおける電子構造とランダウ準位の量子化を調査した。ねじれバイレイヤーでは質量なしディラックフェルミオンに類似したランダウ準位が観測された一方、トリレイヤーでは105 meVのバンドギャップを有する質量ありディラックフェルミオンの挙動を示し、最低ランダウ準位においてバルクおよび層の極化を誘発した—これは電場をかけたベーランバイレイヤー・グラフェンに類似した挙動である。

ABSTRACT

Electronic structures and their Landau quantizations in twisted graphene bilayer and trilayer are investigated using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy. In the twisted trilayer, the top graphene layer and second layer are AB (Bernal) stacking and there is a stacking misorientation between the second layer and third layer. Both the twisted bilayer and trilayer exhibit two pronounced low-energy van Hove singularities (VHSs) in their spectra. Below the VHSs, the observed Landau level quantization in the twisted bilayer is identical to that of massless Dirac fermion in graphene monolayer. Our result demonstrates that both the VHSs and Fermi velocity of the twisted bilayer depends remarkably on the twist angle and the interlayer coupling strength. In the twisted trilayer, we directly observe Landau quantization of massive Dirac fermion with a sizable band gap 105 meV, which results in valley (layer) polarization of the lowest Landau levels. Such a result is similar to the expected Landau quantization in Bernal graphene bilayer with a moderate electric field.

研究の動機と目的

• ねじれグラフェンバイレイヤーおよびトリレイヤー系の電子バンド構造を理解すること。
• ねじれ角および層間結合が電子的性質およびランダウ準位の量子化に与える影響を調査すること。
• ヴァン・ホーブ特異点の出現と、フェルミ速度およびバンド分散の変化に果たす役割を解明すること。
• ねじれトリレイヤー・グラフェンが観測可能なランダウ準位の量子化を示す質量ありディラックフェルミオンの挙動を示すかどうかを特定すること。
• バンドギャップの開口により、低エネルギーのランダウ準位においてバルクまたは層の極化が誘発される可能性を調査すること。

提案手法

• 原子スケールでの局所的電子構造をプローブするために走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）が用いられた。
• 制御されたねじれ角を有する剥離したねじれバイレイヤーおよびトリレイヤー・グラフェン試料を用いて実験が実施された。
• 高磁場下での微分伝導度 dI/dV スペクトルの測定により、ランダウ準位の量子化が分析された。
• 観測されたランダウ準位の間隔およびバンド構造の特徴を解釈するために理論的モデリングが用いられた。
• STS測定から抽出した状態密度からヴァン・ホーブ特異点が同定された。
• スペクトル特徴からねじれ角および層間結合がフェルミ速度およびバンドギャップに与える影響が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンバイレイヤーおよびトリレイヤーにおけるねじれ角が、電子バンド構造およびランダウ準位の量子化にどのように影響するか？
• RQ2 特に質量ありディラックフェルミオンの存在に関して、ねじれトリレイヤー・グラフェンの低エネルギー電子状態の性質は何か？
• RQ3 ヴァン・ホーブ特異点が、ねじれグラフェン系におけるフェルミ速度およびランダウ準位スペクトルにどの程度影響を及えるか？
• RQ4 バンドギャップの開口により、ねじれトリレイヤー・グラフェンの最低ランダウ準位においてバルクまたは層の極化が誘発されるか？
• RQ5 ねじれバイレイヤー・グラフェンのランダウ準位パターンは、モノレイヤーおよびベーランスタックのバイレイヤー・グラフェンとどのように比較できるか？

主な発見

• ねじれバイレイヤー・グラフェンは、モノレイヤー・グラフェンにおける質量なしディラックフェルミオンと同一のランダウ準位の量子化を示し、ギャップレスのディラック・コーンの性質が確認された。
• ねじれバイレイヤーにおける二つの顕著な低エネルギーのヴァン・ホーブ特異点の位置は、ねじれ角および層間結合強度に強く依存する。
• ねじれトリレイヤーでは105 meVのバンドギャップが開き、観測可能なランダウ準位の量子化を示す質量ありディラックフェルミオンの挙動を示した。
• ねじれトリレイヤーの最低ランダウ準位にはバルクおよび層の極化が観測され、これは中程度の電場をかけたベーランスタックのバイレイヤー・グラフェンに類似した挙動である。
• ねじれバイレイヤーにおけるフェルミ速度は、ねじれ角および層間結合によって顕著に調整可能であり、これによりランダウ準位の間隔が変化した。
• 観測されたトリレイヤーのランダウ準位スペクトルは、質量ありディラックフェルミオンの理論予測と整合的であり、調整可能なバンドギャップの存在が裏付けられた。