[논문 리뷰] Fabry-P\'erot cavities and quantum dot formation at gate-defined interfaces in twisted double bilayer graphene

Elías Portolés, Giulia Zheng외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 29.

Graphene research and applications참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1.07°의 비스듬한 각도를 가진 두 겹 그래핀( twisted double bilayer graphene, TDBG)에서 전기적 장으로 정의된 Fabry-Pérot 공진자와 양자점 형성을 보여준다. 게이트 전압과 이완장(field)을 조절함으로써, 산란된 밴드와 평탄한 밴드 사이, 그리고 서로 다른 평탄한 밴드 사이에서 두 가지 유형의 Fabry-Pérot 진동이 나타나며, 쿨롱 차단 공진은 강한 전자 구속을 확인하여, 모리 퍼텐셜과 실현 밀도 기울기 간의 상호작용으로 인해 공진자 인터페이스에서 양자점 형성이 일어남을 시사한다.

ABSTRACT

The rich and electrostatically tunable phase diagram exhibited by moir\'e materials has made them a suitable platform for hosting single material multi-purpose devices. To engineer such devices, understanding electronic transport and localization across electrostatically defined interfaces is of fundamental importance. Little is known, however, about how the interplay between the band structure originating from the moir\'e lattice and electric potential gradients affects electronic confinement. Here, we electrostatically define a cavity across a twisted double bilayer graphene sample. We observe two kinds of Fabry-P\'erot oscillations. The first, independent of charge polarity, stems from confinement of electrons between dispersive-band/flat-band interfaces. The second arises from junctions between regions tuned into different flat bands. When tuning the out-of-plane electric field across the device, we observe Coulomb blockade resonances in transport, an indication of strong electronic confinement. From the gate, magnetic field and source-drain voltage dependence of the resonances, we conclude that quantum dots form at the interfaces of the Fabry-P\'erot cavity. Our results constitute a first step towards better understanding interfacial phenomena in single crystal moir\'e devices.

연구 동기 및 목표

• 모리 재료의 게이트로 정의된 인터페이스에서 전자 이동도 및 국소화를 이해하기 위해.
• 모리 밴드 구조와 전기 잠재력 기울기가 함께 전자 구속에 어떤 영향을 미치는지 탐구하기 위해.
• TDBG에서 전기적으로 정의된 공진자 인터페이스에서의 양자점 형성과 특성을 입증하고 분석하기 위해.
• 단일 결정 모리 이종구조에서 강한 전자 구속의 기원을 규명하기 위해.

제안 방법

• hexagonal boron nitride로 둘러싸인 1.07° 비스듬한 이중층 그래핀 이종구조를 제작하였으며, 그래파이트 백게이트와 상하 금속 게이트를 포함하였다.
• 전자선 리소그래피와 Al2O3의 원자층 증착을 통해 400 nm의 Fabry-Pérot 공진자를 정의하였다.
• 저온에서의 전도도 측정을 수행하였으며, 소스-드레인 전압, 백게이트, 상부 게이트, 플러저 게이트 전압 제어를 통해 전자 상태를 탐색하였다.
• Fabry-Pérot 진동과 쿨롱 차단 다이아몬드를 분석하여 충전 에너지, 레버 암, 크기와 같은 양자점 매개변수를 추출하였다.
• 평행판 컨denser 모델을 사용하여 충전 에너지와 게이트 커패시턴스로부터 양자점 크기를 추정하였다.
• 자기장에 따른 쿨롱 다이아몬드의 의존성을 측정하여 g인자 추정 및 양자점 특성 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TDBG의 산란된 밴드와 평탄한 밴드 인터페이스는 어떻게 Fabry-Pérot 진동을 지지하는가?
• RQ2 이완장(field)은 TDBG에서 Fabry-Pérot 간섭을 어떻게 유도하거나 억제하는가?
• RQ3 전도도에서 관측된 쿨롱 차단 공진은 게이트로 정의된 인터페이스에서 양자점 형성의 증거로 어떻게 기능하는가?
• RQ4 TDBG 공진자에서 강한 전자 구속의 기원은 무엇인가—밴드 구조, 잠재력 기울기, 또는 모리 효과인가?
• RQ5 관측된 양자점의 핵심 물리적 매개변수(크기, 충전 에너지, g인자)는 무엇인가?

주요 결과

• 두 가지 유형의 Fabry-Pérot 진동이 관측되었는데, 하나는 실현 극성과 무관하게 산란/평탄한 밴드 인터페이스에서 발생하고, 다른 하나는 서로 다른 평탄한 밴드 간의 접합에서 기인한다.
• 큰 이완장에서 쿨롱 차단 공진이 관측되어 강한 전자 구속과 양자점 형성을 시사한다.
• 쿨롱 다이아몬드 간격을 기반으로 양자점의 충전 에너지를 약 1.5 meV로 추정하였다.
• 플러저 게이트의 레버 암은 14 eV/V로 측정되어 양자점 에너지 준위에 대한 강력한 전기적 제어를 나타낸다.
• 게이트 커패시턴스와 유전체 두께를 사용한 평행판 컨덴서 모델을 통해 양자점의 추정 반경은 100 nm로 도출되었다.
• 중앙 게이트와 병합된 상하 게이트 간의 상대적 레버 암 비율은 각각 4:1, 2:1, 1:1로 측정되어 다양한 정도의 전기적 결합을 나타낸다.