[논문 리뷰] Electronic Structures and Their Landau Quantizations in Twisted Graphene Bilayer and Trilayer

Long‐Jing Yin, Jia-Bin Qiao외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Graphene research and applications참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경 및 분광법을 사용하여 기울인 그래핀 이중층 및 삼중층에서의 전자 구조와 랑주 양자화를 조사한다. 연구 결과 기울인 이중층은 질량이 없는 디рак 페르미온 유사 랑주 준위를 보이며, 삼중층은 105 meV의 밴드 갭을 가진 질량 있는 디рак 페르미온 행동을 보이며, 최저 랑주 준위에서 궤도 및 층 극성이 유도된다—이는 전기장이 작용하는 베르날 이중층 그래핀과 유사하다.

ABSTRACT

Electronic structures and their Landau quantizations in twisted graphene bilayer and trilayer are investigated using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy. In the twisted trilayer, the top graphene layer and second layer are AB (Bernal) stacking and there is a stacking misorientation between the second layer and third layer. Both the twisted bilayer and trilayer exhibit two pronounced low-energy van Hove singularities (VHSs) in their spectra. Below the VHSs, the observed Landau level quantization in the twisted bilayer is identical to that of massless Dirac fermion in graphene monolayer. Our result demonstrates that both the VHSs and Fermi velocity of the twisted bilayer depends remarkably on the twist angle and the interlayer coupling strength. In the twisted trilayer, we directly observe Landau quantization of massive Dirac fermion with a sizable band gap 105 meV, which results in valley (layer) polarization of the lowest Landau levels. Such a result is similar to the expected Landau quantization in Bernal graphene bilayer with a moderate electric field.

연구 동기 및 목표

• 기울인 그래핀 이중층 및 삼중층 시스템의 전자 밴드 구조를 이해하기 위해.
• 기울기 각도와 상층 간 상호작용이 전자적 성질과 랑주 준위 양자화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 반데 호프 특이점의 발생과 그들이 페르미 속도 및 밴드 분산을 어떻게 수정하는지 규명하기 위해.
• 기울인 삼중층 그래핀이 관측 가능한 랑주 양자화를 보이는 질량 있는 디랙 페르미온 행동을 나타내는지 확인하기 위해.
• 밴드 갭 형성으로 인해 저에너지 랑주 준위에서 궤도 또는 층 극성이 유도될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 원자 스케일에서 국소 전자 구조를 탐사하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM) 및 분광법(STS)을 사용하였다.
• 제어된 기울기 각도를 가진 기계적으로 분리된 기울인 이중층 및 삼중층 그래핀 샘플에서 실험을 수행하였다.
• 고자기장 조건에서 미분 전도도 dI/dV 스펙트럼 측정을 통해 랑주 준위 양자화를 분석하였다.
• 관측된 랑주 준위 간격과 밴드 구조 특징을 해석하기 위해 이론적 모델링을 사용하였다.
• STS 측정을 통해 추출한 상태 밀도에서 반데 호프 특이점을 식별하였다.
• 스펙트럼 특징에서 기울기 각도와 상층 간 상호작용이 페르미 속도 및 밴드 갭에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 이중층 및 삼중층의 기울기 각도가 전자 밴드 구조와 랑주 준위 양자화에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 기울인 삼중층 그래핀의 저에너지 전자 상태의 성격은 무엇인가, 특히 질량 있는 디랙 페르미온의 존재 여부는?
• RQ3 반데 호프 특이점은 기울인 그래핀 시스템에서 페르미 속도 및 랑주 준위 스펙트럼에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 밴드 갭 형성으로 인해 기울인 삼중층 그래핀의 최저 랑주 준위에서 궤도 또는 층 극성이 유도될 수 있는가?
• RQ5 기울인 이중층 그래핀의 랑주 준위 패tern은 단일층 및 베르날 스택된 이중층 그래핀과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 기울인 이중층 그래핀은 질량이 없는 디랙 페르미온의 특성과 동일한 랑주 준위 양자화를 보이며, 갭이 없는 디랙 콘 성질을 확인한다.
• 기울인 이중층에서 두 개의 두드러진 저에너지 반데 호프 특이점의 위치는 기울기 각도와 상층 간 상호작용 강도에 매우 민감하게 의존한다.
• 기울인 삼중층에서는 105 meV의 밴드 갭이 열려 질량 있는 디랙 페르미온 행동을 보이며, 관측 가능한 랑주 양자화가 발생한다.
• 기울인 삼중층의 최저 랑주 준위는 베르날 스택된 이중층 그래핀에 중간 전기장이 작용할 때와 유사하게 궤도 및 층 극성을 보인다.
• 기울인 이중층에서의 페르미 속도는 기울기 각도와 상층 간 상호작용에 의해 크게 조절 가능하며, 이는 랑주 준위 간격에 영향을 준다.
• 삼중층에서 관측된 랑주 준위 스펙트럼은 질량 있는 디랙 페르미온에 대한 이론 예측과 일치하며, 조절 가능한 밴드 갭 존재를 확인한다.