[論文レビュー] Local Gate Control of Electronic Transport in Graphene Nanostructures

Barbaros Özyilmaz, Pablo Jarillo‐Herrero+4 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、グラフェンナノ構造における局所的電気的ゲート制御を用いて、調整可能な p-n-p 結合を形成し、キラルエッジ状態に関連する分数量子ホールプラトーの観測を実現した。研究者たちは、特定のプラトーにおいて強いエッジ間バックスキャッタリング感受性を明らかにし、不純物強度の推定およびエッジ状態の等化ダイナミクスに関する知見が得られた。

ABSTRACT

We have developed a device fabrication process to pattern graphene into nanostructures of arbitrary shape and control their electronic properties using local electrostatic gates. Electronic transport measurements have been used to characterize locally gated bipolar graphene $p$-$n$-$p$ junctions. We observe a series of fractional quantum Hall conductance plateaus at high magnetic fields as the local charge density is varied in the $p$ and $n$ regions. These fractional plateaus, originating from chiral edge states equilibration at the $p$-$n$ interfaces, exhibit sensitivity to inter-edge backscattering which is found to be strong for some of the plateuas and much weaker for other plateaus. We use this effect to explore the role of backscattering and estimate disorder strength in our graphene devices.

研究の動機と目的

• 任意の形状のナノ構造にパターニング可能なグラフェンのプロセス開発。
• 高磁場下における局所的電気的ゲート制御を用いたバイポーラルグラフェン p-n-p 結合の電子的輸送特性の調査。
• キラルエッジ状態から生じる分数量子ホールプラトーにおけるエッジ間バックスキャッタリングの役割の理解。
• 分数プラトーにおけるバックスキャッタリング感受性を用いた、グラフェンデバイス内の不純物強度の推定。

提案手法

• 任意の形状のナノ構造にパターニング可能なグラフェンを、局所的電気的ゲートを用いて作製する。
• p および n 界面における電荷密度を独立して調整可能な局所的ゲートの適用。
• 高磁場下における量子ホール効果を調べるための電子的輸送測定。
• 局所的ゲート電圧の関数としての分数量子ホール伝導度プラトーの分析。
• プラトーにおけるバックスキャッタリング感受性を用いて、系内の不純物強度を推定。
• 輸送的シグネチャを通じて、p-n 界面におけるキラルエッジ状態の等化を研究。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的電気的ゲート制御は、グラフェンナノ構造における電子的性質をどのように制御可能にするか？
• RQ2 グラフェン p-n-p 結合における分数量子ホールプラトーにおけるエッジ間バックスキャッタリングの役割は何か？
• RQ3 バックスキャッタリング感受性は、異なる分数量子ホールプラトーでどのように変化するか？
• RQ4 エッジ状態の等化と不純物は、観測された伝導度プラトーにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 バックスキャッタリング測定は、グラフェンデバイス内の不純物強度を推定するために使用可能か？

主な発見

• 高磁場下における局所的ゲート制御を施したグラフェン p-n-p 結合で、分数量子ホール伝導度プラトーが観測された。
• プラトーは、p-n 界面におけるキラルエッジ状態の等化に起因する。
• バックスキャッタリング効果はプラトーに強く依存しており、一部のプラトーでは強いバックスキャッタリングを示し、他のプラトーでははるかに弱い。
• バックスキャッタリング感受性の変動は、デバイス内の不純物強度を推定するためのプローブとして機能する。
• 局所的ゲート制御により、p および n 界面における電荷密度を精密に調整可能であり、詳細な輸送研究が可能となった。
• 結果は、エッジ状態ダイナミクスとグラフェンナノ構造における測定可能な輸送異常との直接的な関連を示した。