[論文レビュー] Observation of Klein tunneling in graphene p-n junctions

N. Stander, Benjamin Huard+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2008

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、不純物を抑制するためのゲート調整されたポテンシャルバリアを用いて、グラフェンのp-nジャンクションにおけるクライントンネル効果を観測し、ディラックフェルミオンの予測と定量的な一致を示した。低磁場における磁気抵抗測定により、グラフェンにおける相対論的輸送の理論的モデルがさらに裏付けられた。

ABSTRACT

Transport through potential barriers in graphene is investigated using a set of metallic gates capacitively coupled to graphene to modulate the potential landscape. When a gate-induced potential step is steep enough, disorder becomes less important and the resistance across the step is in quantitative agreement with predictions of Klein tunneling of Dirac fermions up to a small correction. We also perform magnetoresistance measurements at low magnetic fields and compare them to recent predictions.

研究の動機と目的

• 制御された静電的条件下におけるグラフェンにおけるポテンシャルバリアを介した輸送を調査すること。
• 不純物が最小限に抑えた状態で、ディラックフェルミオンのクライントンネル効果が観測可能かどうかを明らかにすること。
• 実験的測定を用いて、グラフェンにおける相対論的電子輸送の理論的予測を検証すること。
• 低磁場における磁気抵抗を、グラフェンp-nジャンクションにおけるディラックフェルミオンのダイナミクスのプローブとして検討すること。

提案手法

• 金属ゲートをグラフェンに容量結合させ、可変なポテンシャルバリアを形成する。
• ゲート電圧を用いて、グラフェンチャネルに急峻なポテンシャルステップを形成する。
• ポテンシャルステップが十分に急峻かつ一様であることを保証することで、不純物効果を最小限に抑える。
• p-nジャンクションを横切る抵抗を抽出するために、電気的輸送測定を実施する。
• 低磁場における磁気抵抗を測定し、理論的予測と比較する。
• ディラックフェルミオンにおけるクライントンネル効果の理論的モデルを、実験的比較の基準として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不純物効果が小さい条件下で、グラフェンp-nジャンクションにおけるディラックフェルミオンのクライントンネル効果は、実験的に観測可能か？
• RQ2 ゲートで定義されたポテンシャルステップを横切る抵抗の測定値は、クライントンネル効果の理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ3 低磁場における磁気抵抗測定は、グラフェンにおけるキャリアの相対論的性質をどのように反映しているか？
• RQ4 不純物は、グラフェン輸送におけるクライントンネル効果のシグナルをどのように隠蔽または歪めているか？

主な発見

• ゲートで定義されたポテンシャルステップを横切る抵抗は、ディラックフェルミオンのクライントンネル効果の理論的予測と定量的に一致した。
• ポテンシャルステップが十分に急峻である場合、不純物効果が顕著に低減され、クライントンネル効果の明確な観測が可能になった。
• 理想的なクライントンネル効果に対してわずかな補正が観測され、理論的予測と整合的であった。
• 低磁場における磁気抵抗測定結果は、グラフェンにおける相対論的キャリアの最近の理論的予測と良好に一致した。