[論文レビュー] Electronic band gaps and transport properties in periodically alternating mono- and bi-layer graphene superlattices

Xiong Fan, Wenjun Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Graphene research and applications参考文献 40被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、周期的に交互に配置されたモノレイヤーおよびバイレイヤー graphene スーパーラティス（MBLG SLs）における電子的バンドギャップおよび輸送特性を調査する。転送行列法を用いて、格子定数に依存せずゼロ-k ギャップが出現することを示し、層間結合および幅比によって調整可能であることを明らかにした。また、特定の条件下では余剰なディラック点が出現し、電子的伝導度の制御が可能になることを示した。

ABSTRACT

We investigate the electronic band structure and transport properties of periodically alternating mono- and bi-layer graphene superlattices (MBLG SLs). In such MBLG SLs, there exists a zero-averaged wave vector (zero-$\overline{k}$) gap that is insensitive to the lattice constant. This zero-$\overline{k}$ gap can be controlled by changing both the ratio of the potential widths and the interlayer coupling coefficient of the bilayer graphene. We also show that there exist extra Dirac points; the conditions for these extra Dirac points are presented analytically. Lastly, we demonstrate that the electronic transport properties and the energy gap of the first two bands in MBLG SLs are tunable through adjustment of the interlayer coupling and the width ratio of the periodic mono- and bi-layer graphene.

研究の動機と目的

• 周期的に交互に配置されたモノレイヤーおよびバイレイヤー graphene スーパーラティス（MBLG SLs）における電子的バンド構造および輸送特性を調査すること。
• MBLG SLs における平均波数ゼロ（ゼロ-k）ギャップの起源と調整可能性を理解すること。
• 余剰なディラック点がバンド構造に出現する条件を同定すること。
• 層間結合および幅比の制御により、最初の2つのバンドギャップおよび伝導度の調整可能性を調査すること。

提案手法

• MBLG SLs における4成分の擬スピン波動関数の固有方程式を解くために転送行列法を用いる。
• 位置に依存する静電ポテンシャルおよびバイレイヤー領域における層間結合 t′j を含むタイトバインディングハミルトニアンを用いる。
• 無限周期構造における分散関係を導出するためにブローチの定理を適用し、バンドギャップを総転送行列のトレースと関連付ける。
• 転送行列積を用いて伝達係数 T(E, ky) を計算し、角度平均伝達から伝導度を分析する。
• 格子定数 Λ、幅比 wA/wB、層間結合 t′B、および印加ポテンシャル VA、VB を変化させ、バンドおよび輸送特性を調査する。
• 分散関係および三角関数的制約を用いて、余剰なディラック点およびゼロ-k ギャップの存在に関する解析的条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MBLG SLs におけるゼロ-k ギャップは、格子定数、幅比、および層間結合にどのように依存するか？
• RQ2 MBLG SLs の電子的バンド構造に余剰なディラック点が出現する条件は何か？
• RQ3 MBLG SLs の最初の2つのバンドギャップおよび伝導度は、層間結合および幅比によって調整可能か？
• RQ4 平均層間結合 t′ と MBLG SLs の電子的輸送特性との間にはどのような関係があるか？

主な発見

• MBLG SLs にはゼロ-k ギャップが存在し、格子定数 Λ に依存しないが、幅比 wA/wB および層間結合 t′B の調整により調整可能である。
• ゼロ-k ギャップは格子定数が増加するにつれて周期的に開閉を繰り返し、その幅は Λ に対して単調でない変化を示す。
• 格子定数が臨界値を超えるとバンド構造に余剰なディラック点が出現し、その数は Λ に応じて増加する。
• バンド分散関係および三角関数的制約に基づいて、余剰なディラック点の存在に関する解析的条件が導出された。
• 最初の2つのバンドギャップおよび角度平均伝導度は、t′B および wA/wB を変化させることで調整可能であり、電子的輸送の制御が可能になる。
• ポテンシャル障壁が存在しない状況では、平均層間結合 t′ および最初のバンドギャップは t′B および wA/wB を用いて調整可能であり、伝導度のエンジニアリングに新たな手法が提供される。