[論文レビュー] Realization of a Tunable Artificial Atom at a Charged Vacancy in Graphene

Jinhai Mao, Yuhang Jiang+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Graphene research and applications参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ゲート付きSTMセットアップを用いて、正の電荷を帯電欠陥に安定化させることで、グラフェンにおけるチューナブルな人工原子を実証している。電圧パulsesを印加することで、系は輸送電子が準束縛状態を形成するスーパーキリティカル領域に入り、欠陥位置で局所的な状態密度が増大するゲートで調整可能な量子ドットに類似た状態が生成される。

ABSTRACT

Graphene's remarkable electronic properties have fueled the vision of a graphene-based platform for lighter, faster and smarter electronics and computing applications. But progress towards this goal was stalled by the inability to confine its charge carriers with electrostatic potentials. Here we report on a technique to stably host and controllably modify a localized charge state in graphene. Using a vacancy in a gated graphene device we demonstrate that it is possible to deposit positive charge at the vacancy site and to build it up gradually by applying voltage pulses with the tip of a scanning tunneling microscope (STM). As the charge increases, its interaction with the conduction electrons in graphene undergoes a transition into a supercritical regime. In this regime itinerant electrons can be trapped in a sequence of quasi-bound states which resemble an artificial atom. The quasi-bound electron-states are detected by a strong enhancement of the density of states (DOS) within a disc centered on the vacancy site which is surrounded by halo of hole states. We further show that the quasi-bound states at the vacancy site are gate tunable and that the trapping mechanism can be turned on and off, providing a new paradigm to control and guide electrons in graphene.

研究の動機と目的

• 静電ポテンシャルを用いたグラフェンにおける電荷キャリアの閉じ込めに挑戦する。
• ゲーテッド・グラフェンデバイスにおける欠陥サイトに局在化した電荷状態を安定化する。
• 準束縛電子状態の制御可能な形成、すなわち人工原子に類似した状態を実証する。
• 将来的な量子デバイス応用を想定し、捕獲メカニズムのゲートによるチューニングを可能にする。

提案手法

• ゲーテッド・デバイス内のグラフェン欠陥に、スキャニング・トンネル顕微鏡（STM）のプローブを用いて電圧パulsesを印加する。
• フェルミ準位を制御し、欠陥における電荷状態を調整するために静電的ゲーティングを適用する。
• スキャニング・トンネル分光法を用いて局所的状態密度（DOS）を測定し、準束縛状態を検出する。
• 電子-欠陥相互作用が束縛状態を生じるスーパーキリティカル領域への遷移を観測する。
• DOSの空間的分布を分析し、中心部に強化された状態のディスクと、それを取り巻くホール様状態のハローを特定する。
• ゲート電圧の変調により、捕獲メカニズムの可逆的オン/オフ切り替えを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの欠陥に安定的かつ制御可能な局在化電荷状態を形成できるか？
• RQ2 欠陥における電荷を増加させると、グラフェンに準束縛電子状態が形成されるか？
• RQ3 得られた準束縛状態は、ゲート電圧によって電気的にチューニング可能か？
• RQ4 帯電欠陥周辺の状態密度の空間的およびエネルギー的構造は何か？
• RQ5 電子捕獲メカニズムは、可逆的にオン/オフに切り替え可能か？

主な発見

• STMプローブからの電圧パulsesを用いて、グラフェン欠陥に安定的かつ制御可能な正電荷が付加された。
• 電荷が増加するにつれて、移動電子が準束縛状態を形成するスーパーキリティカル領域に入り込む。
• 欠陥位置で局所的状態密度（DOS）が強く増大し、中心部にディスク状の強化領域と、周囲にホール様状態のハローが形成された。
• 準束縛状態はゲートでチューニング可能であり、電子捕獲ポテンシャルの動的制御が可能となった。
• ゲート電圧の変調により、捕獲メカニズムを可逆的にオン/オフに切り替えられた。
• この系は、チューナブルな電子構造を有する人工原子の特性を示し、将来的な量子エレクトロニクスへの応用が可能である。