[論文レビュー] Hyperbolic enhancement of photocurrent patterns in minimally twisted bilayer graphene

Sai Sunku, Dorri Halbertal+11 more|Nov 10, 2020

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、特定の周波数で六方炭化ホウ素窒化物（hBN）基板が超ひずみ分散を示すため、最小にねじれた二層グラフェンにおける中赤外域の光起電流パターンが、超ひずみ的に増幅されることを示している。走査プローブ光起電流像像技術を用いて、ABおよびBA積層領域間の界面で生じるナノスケールのゼーベック係数の変動が解明され、hBNの超ひずみモードに近接する周波数で顕著な周波数依存性の増幅が観察された。

ABSTRACT

Quasi-periodic moiré patterns and their effect on electronic properties of twisted bilayer graphene (TBG) have been intensely studied. At small twist angle $θ$, due to atomic reconstruction, the moiré superlattice morphs into a network of narrow domain walls separating micron-scale AB and BA stacking regions. We use scanning probe photocurrent imaging to resolve nanoscale variations of the Seebeck coefficient occurring at these domain walls. The observed features become enhanced in a range of mid-infrared frequencies where the hexagonal boron nitride (hBN), which we use as a TBG substrate, is optically hyperbolic. Our results illustrate new capabilities of nano-photocurrent technique for probing nanoscale electronic inhomogeneities in two-dimensional materials.

研究の動機と目的

• 基板の光学的性質が最小にねじれた二層グラフェンにおける光起電流パターンに与える影響を調査すること。
• ねじれた二層グラフェンにおけるABおよびBA積層領域間の界面で生じるゼーベック係数のナノスケールの変動を解明すること。
• 六方炭化ホウ素（hBN）における超ひずみモードが、中赤外域における光起電流信号をどのように増幅するかを明らかにすること。
• ナノスケール光起電流像像技術が2次元材料における電子的不均一性をプローブする有効性を示すこと。

提案手法

• ナノスケール分解能を有する局所光起電流をマップするために走査プローブ光起電流像像技術が用いられた。
• 実験は、六方炭化ホウ素（hBN）を基板とする最小にねじれた二層グラフェン（TBG）で実施された。
• 中赤外域の光照射を用いて光起電流を励起し、hBNの超ひずみ分散領域にわたる周波数を調整した。
• 光起電流応答の空間的パターンからゼーベック係数の変動が抽出された。
• hBNの超ひずみ分散の役割は、異なる周波数における光起電流増幅の比較を通じて分析された。
• 微小なねじれ角における原子再配置を検討し、ミクロンスケールのAB/BA界面領域の形成を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBN基板における超ひずみモードが、最小にねじれた二層グラフェンにおける光起電流パターンにどのように影響を与えるか。
• RQ2 TBGのAB/BA積層領域における界面と光起電流増幅の空間的相関関係はいかなるものか。
• RQ3 hBNの周波数依存性光学応答が、2次元ヘテロ構造における局所的光起電流信号をどの程度増幅するか。
• RQ4 ナノスケール光起電流像像技術は、ねじれた2次元材料における積層界面境界に起因するナノスケールの電子的不均一性を解像可能か。
• RQ5 原子再配置は、最小にねじれた二層グラフェンの電子的状態をどのように形成するか。

主な発見

• 最小にねじれた二層グラフェンにおける光起電流パターンは、hBNが超ひずみ分散を示す中赤外域周波数で顕著に増幅された。
• ABおよびBA積層領域を分かつ界面で、ゼーベック係数のナノスケールの変動が直接的に像像化された。
• 増幅効果は、hBN基板の超ひずみモードと一致する周波数で最大となり、共鳴結合メカニズムの確認が得られた。
• 観察された光起電流パターンは、原子再配置によって形成される界面のトポロジカルネットワークと空間的に相関していた。
• hBNの超ひずみ応答を活用することで、2次元バーゼル・ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造におけるナノスケールの電子的不均一性を増幅・解像可能であると示された。
• 本研究は、サブミクロン分解能を有するナノスケール光起電流像像技術が、ねじれた2次元材料における局所的電子的性質をプローブする強力なツールであると確立した。