[論文レビュー] Gate defined zero- and one-dimensional confinement in bilayer graphene

Augustinus, M. Goossens+5 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2012

Graphene research and applications被引用数 63

ひとこと要約

本研究では、上部および下部の誘電体として窒化ホウ素（hBN）を用いて、バイレイヤー・グラフェンにおけるゲートで定義された1次元および0次元の電子閉じ込めを実証した。バックゲートを備えたバイレイヤー・グラフェンフラックに分離したトップゲートを印加することで、1次元の細口部における電導量子化と、0次元の量子ドットにおける明確なクーロン遮断を達成した。移動度は最大36,000 cm²/Vsに達し、クーロンピークのローレンツ型フィットにより弱いトンネル結合が確認された。

ABSTRACT

We report on the fabrication and measurement of nanoscale devices based on bilayer graphene sandwiched between hexagonal boron nitride bottom and top gate dielectrics. The top gates are patterned such that constrictions and islands can be electrostatically induced by applying appropriate voltages to the gates. The high quality of the devices becomes apparent from conductance quantization in the constrictions at low temperature. The islands exhibit clear Coulomb blockade and single-electron transport.

研究の動機と目的

• エッチングによるエッジの不純物を避けて、リソグラフィーで定義されたクリアな量子閉じ込めをバイレイヤー・グラフェンで達成すること。
• ナノパターニングやスパゲッティングされたデバイスの制限を克服するため、高品質な誘電体を備えた基板上に静電的ゲートを用いること。
• 垂直方向の電場によって誘導されるバンドギャップを用いて、バイレイヤー・グラフェンにおけるチューナブルな1次元および0次元の電子閉じ込めを実証すること。
• hBNを誘電体として用いることで、基板支持型デバイスにおける高い電子的品質を達成すること。
• 今後の研究において、閉じ込められたバイレイヤー・グラフェンナノ構造における電子間相互作用、スピン、バルク物理を可能にすること。

提案手法

• 高品質な界面を確保するため、機械的エキスフォージョンおよびドライトランスファー技術を用いてバイレイヤー・グラフェンデバイスを製作した。
• 不純物を抑制し、移動度を向上させるために、バイレイヤー・グラフェンをhBNフラック（下部および上部の誘電体）で封止した。
• 電子ビームリソグラフィーを用いて、hBN表面に分離したトップゲートおよびCr/Au電極をパターニングした。
• 全体的なバックゲートを印加して、バイレイヤー・グラフェンにバンドギャップを誘導し、静電的閉じ込めを可能にした。
• ゲート電圧を調整することで絶縁性の障壁を形成し、分離したトップゲートを用いて1次元の細口部および0次元の量子ドットを定義した。
• 低温（35 mKまで）での輸送特性を測定し、ゲート容量をモデル化し、島の幾何学的形状を推定するために3次元ポアソンシミュレーションを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板上に最小限の不純物を有するバイレイヤー・グラフェンで、ゲートで定義された1次元および0次元の閉じ込めを達成できるか？
• RQ2 hBNを誘電体として用いることで、バイレイヤー・グラフェンにおける電子輸送および閉じ込めの品質にどのような影響を与えるか？
• RQ3 量子ドットとリード間のトンネル結合の程度はどの程度で、弱い結合領域か強い結合領域かを示すか？
• RQ4 このようなゲート付きバイレイヤー・グラフェンデバイスで、電導量子化とクーロン遮断を観測できるか？
• RQ5 測定されたクーロンピークの間隔と形状は、充電エネルギー、島のサイズ、ゲート容量とどのように関係するか？

主な発見

• 1次元の細口部における電導量子化が観測され、コherentな輸送と1次元閉じ込めの成功が示された。
• 明確なクーロン遮断と、電導マップにおけるダイヤモンド型領域が、0次元の量子ドットの形成を確認した。
• 35 mKで最大36,000 cm²/Vsの移動度が達成され、電子ビーム露出による劣化にもかかわらず、高い電子的品質を示した。
• 平均的なクーロンピーク間隔は4 mVで、標準偏差は1.4 mVであった。これは、島のサイズや結合に不純物由来の変動が存在する可能性を示唆した。
• クーロンピークに双曲線余割関数をフィットさせた結果、弱いトンネル結合が示され、抽出された電子温度は69 ± 14 mKであった。
• 容量解析および3次元ポアソンシミュレーションから、量子ドットはすべてのトップゲートの下で中央部に形成されており、有効な島直径は約320 nmであると判明した。