[論文レビュー] Electronic transport in a two-dimensional superlattice engineered via self-assembled nanostructures

Yingjie Zhang, Young-Seok Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Graphene research and applications参考文献 73被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、グラフェンを自己組織化単層膜のナノスフィア上に転写することで形成された二次元スーパーラティスにおける電子的輸送を示した。この構造は準周期的格子ひずみを誘導する。単位格子あたりの整数的キャリア充填状態における電導度の低下は、ミニバンドの形成を確認するものであり、ひずみが大きいほど効果が顕著になることが分かった。これは、 hopping 項の変調を考慮したタイトビンディングシミュレーションによって裏付けられた。

ABSTRACT

Nanoscience offers a unique opportunity to design modern materials from the bottom up, via low-cost, solution processed assembly of nanoscale building blocks. These systems promise electronic band structure engineering using not only the nanoscale structural modulation, but also the mesoscale spatial patterning, although experimental realization of the latter has been challenging. Here we design and fabricate a new type of artificial solid by stacking graphene on a self-assembled, nearly periodic array of nanospheres, and experimentally observe superlattice miniband effects. We find conductance dips at commensurate fillings of charge carriers per superlattice unit cell, which are key features of minibands that are induced by the quasi-periodic deformation of the graphene lattice. These dips become stronger when the lattice strain is larger. Using a tight-binding model, we simulate the effect of lattice deformation as a parameter affecting the inter-atomic hopping integral, and confirm the superlattice transport behavior. This 2D material-nanoparticle heterostructure enables facile band structure engineering via self-assembly, promising for large area electronics and optoelectronics applications.

研究の動機と目的

• ナノスケールの構築ブロックのボトムアップ的自己集合を用いて、2次元材料における人工的電子バンド構造を設計すること。
• ナノスケールの周期性を超える、マクロスケールの空間パターン形成を用いたナノ材料のチューナブルな電子的性質の探求。
• 制御された格子歪みを有するグラフェン-ナノ粒子ヘテロ構造において、スーパーラティスミニバンド効果を実験的に観察すること。
• 格子ひずみと、整数的充填状態における電導度の低下といった電子的輸送特徴との相関関係を明らかにすること。
• ひずみによって変化する hopping 項を考慮したタイトビンディングモデルを用いて、観測された輸送行動を検証すること。

提案手法

• 化学気相成長で得たグラフェンをポリスチレンナノスフィアの自己組織化単層膜上に転写することで、グラフェン-スフィアヘテロ構造を形成した。
• 低コストで溶液処理可能な自己集合を用いて、ほぼ周期的で準周期的なグラフェン格子の歪みを生成した。
• 電気的輸送特性を測定し、電導度スペクトロスコピーを用いてミニバンド形成の痕跡を検出する。
• 位置依存の hopping 項を有するタイトビンディングハミルトニアンを用いて、歪んだ格子のモデリングを行い、電子バンド構造をシミュレートした。
• ひずみの大きさを系統的に変化させ、格子歪みと輸送特性との相関関係を調査した。
• スーパーラティス単位格子あたりの整数的キャリア充填状態における電導度の低下を、ミニバンド形成の証拠として分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己組織化ナノ粒子アレイは、浮遊グラフェンにおいて測定可能なスーパーラティスミニバンド効果を誘導できるか？
• RQ2 準周期的歪みに起因する格子ひずみは、2次元材料における電子的輸送にどのように影響するか？
• RQ3 整数的充填状態における電導度の低下は、歪みを受ける2次元スーパーラティスにおけるミニバンドの存在をどの程度正確に示唆するか？
• RQ4 ひずみによって変化する hopping 項を考慮したタイトビンディングモデルは、観測された輸送特性を定量的に再現できるか？
• RQ5 マクロスケールの空間パターン形成は、2次元ヘテロ構造におけるバンド構造工学に果たす役割は何か？

主な発見

• スーパーラティス単位格子あたりの整数的キャリア充填状態における電導度の低下が実験的に観測され、準周期的格子歪みに起因するミニバンドの形成が示された。
• 電導度の低下の強度は、格子ひずみの増大に伴い増大し、ひずみの大きさとミニバンドの可視性との直接的な相関関係が確認された。
• 観測された輸送行動は、格子歪みが原子間 hopping 項を変調するタイトビンディングモデルによって成功裏に再現された。
• 2次元材料-ナノ粒子ヘテロ構造は、複雑なリソグラフィーを必要とせず、スケーラブルで溶液処理可能なバンド構造工学を可能にする。
• 結果から、自己集合によるマクロスケールの空間パターン形成が2次元材料における電子的性質の工学的制御に利用可能であることが確認された。
• 本手法は、人工的2次元スーパーラティスを基盤とする大面積で低コストな電子素子およびオプトエレクトロニクスの実現に有望な道筋を示している。