[論文レビュー] Realization of graphene logics in an exciton-enhanced insulating phase

Kaining Yang, Xiang Gao+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

Graphene research and applications参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、反強磁性絶縁体CrOClと接合させることで、バイレイヤー・グラフェンに頑丈な励起子絶縁相を実現し、『オン』状態における高い移動度を維持しつつ、制御可能なバンドギャップを実現した。この系は10⁷を超えるオン・オフ比を達成し、機能的なグラフェン型CMOSインバーターを実現した。これは炭素ベースの論理計算への重要な前進を示している。

ABSTRACT

For two decades, two-dimensional carbon species, including graphene, have been the core of research in pursuing next-generation logic applications beyond the silicon technology. Yet the opening of a gap in a controllable range of doping, whilst keeping high conductance outside of this gapped state, has remained a grand challenge in them thus far. Here we show that, by bringing Bernal-stacked bilayer graphene in contact with an anti-ferromagnetic insulator CrOCl, a strong insulating behavior is observed in a wide range of positive total electron doping $n_\mathrm{tot}$ and effective displacement field $D_\mathrm{eff}$ at low temperatures. Transport measurements further prove that such an insulating phase can be well described by the picture of an inter-layer excitonic state in bilayer graphene owing to electron-hole interactions. The consequential over 1 $\mathrm{GΩ}$ excitonic insulator can be readily killed by tuning $D_\mathrm{eff}$ and/or $n_\mathrm{tot}$, and the system recovers to a high mobility graphene with a sheet resistance of less than 100 $\mathrmΩ$. It thus yields transistors with "ON-OFF" ratios reaching 10$^{7}$, and a CMOS-like graphene logic inverter is demonstrated. Our findings of the robust insulating phase in bilayer graphene may be a leap forward to fertilize the future carbon computing.

研究の動機と目的

• グラフェンにおける制御可能で広範囲のバンドギャップを実現するという根本的課題を克服すること。
• CrOClに近接することで誘発される強い電子・正孔相互作用を介して、バイレイヤー・グラフェンに安定的かつ調整可能な励起子絶縁相を実現すること。
• 金属的および絶縁的状態間の鋭い遷移を活用して、実用的なグラフェンベースの論理素子（例えばCMOS型インバーター）を実証すること。
• 2次元のファンデルワールスヘテロ構造における励起子相関を活用して、炭素ベースのエレクトロニクスのための新規なプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 機械的エキスフォージョンおよびファンデルワールス積層技術を用いて、h-BN/BLG/CrOClヘテロ構造を形成した。
• 1.5 Kで二重ゲートフィールド効果測定を実施し、全電子ドーピング（n_tot）および有効電気的電場（D_eff）を調整することで、絶縁相の制御を可能にした。
• ACロックインおよびDCオームメータ法を用いて、D_eff–n_totパラメータ空間における電気的輸送特性をマッピングした。
• ランダウ準位の量子化解析と理論的モデリングを適用し、有効質量（m* ≈ 0.037mₑ）およびクーロン相互作用パラメータを抽出した。
• 層間励起子凝縮に基づく理論モデルを構築し、化学ポテンシャル（μ）、電荷密度（n_I）、および静電容量（C_0, C_eff）を含めた。
• ゲート電圧（V₁, V₂）と化学ポテンシャルおよび有効電場との間の関係を示す主要な式（例：式8）を導出し、観測された相境界および内部電場強化を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性絶縁体との近接結合によって、バイレイヤー・グラフェンに励起子絶縁相を安定化させることができるか？
• RQ2 得られる絶縁状態は、金属的状態における高いキャリア移動度を維持しつつ、調整可能で広範囲のバンドギャップを示すか？
• RQ3 金属的状態と絶縁的状態の間の遷移を活用することで、グラフェントランジスタで高いオン・オフ比を達成できるか？
• RQ4 層間クーロン相互作用および電子・正孔対形成が、観測された励起子絶縁相の形成に果たす役割は何か？
• RQ5 ヘテロ構造内の内部電場は、従来の静電的ゲーティングを上回る有効バンドギャップをどれほど強化できるか？

主な発見

• 1.5 Kで、正のn_totおよびD_effの広い範囲において、1 GΩを超える抵抗を示す頑丈な励起子絶縁相が観測された。
• 輸送測定およびランダウ準位の量子化解析により、この絶縁的挙動は層間励起子凝縮に起因することが確認された。
• D_effまたはn_totを調整することで、絶縁状態から高移動度金属的状態への鋭い遷移が観測され、オン・オフ比が10⁷を超えた。
• サイクロトロン共鳴解析から、バイレイヤー・グラフェン内のキャリアの有効質量はm* ≈ 0.037mₑと推定された。
• ゲート電圧依存性から、約10 V/nmの内部電場が推定され、従来の誘電体の限界をはるかに上回った。
• 実験的に、機能的なグラフェン型CMOSインバーターが実証され、グラフェンベースの論理回路の実現可能性が裏付けられた。