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

Elías Portolés, Giulia Zheng+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Graphene research and applications参考文献 40被引用 4

一句话总结

本研究展示了在1.07°扭转双层双层石墨烯（TDBG）中通过静电势定义的法布里-珀罗腔及量子点的形成。通过调节栅压和位移场，观察到两种不同类型的法布里-珀罗振荡——分别在色散能带与平带之间，以及在不同平带之间——而库仑阻塞共振证实了强电子局域化，表明由于莫尔势与载流子密度梯度的相互作用，腔界面处形成了量子点。

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.

研究动机与目标

• 理解莫尔材料中栅压定义界面处的电子输运与局域化行为。
• 探究莫尔能带结构与电势梯度如何共同影响电子局域化。
• 在TDBG中静电定义腔体的界面处实现并表征量子点的形成。
• 确定单晶莫尔异质结构中强电子局域化的起源。

提出的方法

• 制备了在六方氮化硼中封装的1.07°扭转双层双层石墨烯异质结，采用石墨背栅及上下金属栅。
• 利用电子束光刻与原子层沉积的Al2O3作为电介质盖层，定义了一个400 nm的法布里-珀罗腔。
• 通过源-漏电压、背栅、顶栅及插槽栅电压控制，在低温下进行输运测量，以探测电子态。
• 分析法布里-珀罗振荡与库仑阻塞钻石图，提取量子点参数，如库仑阻塞能、杠杆臂与尺寸。
• 采用平行板电容器模型，基于库仑阻塞能与栅电容估算量子点尺寸。
• 测量库仑钻石在磁场下的依赖关系，以提取g因子并确认量子点特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 TDBG中色散能带与平带界面如何支持法布里-珀罗振荡？
• RQ2 位移场在TDBG中促进或抑制法布里-珀罗干涉中起什么作用？
• RQ3 输运中的库仑阻塞共振如何表明在栅压定义界面处形成量子点？
• RQ4 TDBG腔体中强电子局域化的起源是什么——能带结构、势垒梯度，还是莫尔效应？
• RQ5 所观测量子点的关键物理参数（尺寸、库仑阻塞能、g因子）是什么？

主要发现

• 观察到两种不同类型的法布里-珀罗振荡：一种在色散/平带界面处与载流子极性无关，另一种源于不同平带之间的结。
• 在大位移场下观察到库仑阻塞共振，表明强电子局域化及量子点形成。
• 基于库仑钻石间距估算，量子点的库仑阻塞能约为1.5 meV。
• 插槽栅的杠杆臂测量值为14 eV/V，表明对量子点能级具有强静电调控能力。
• 通过平行板电容器模型，结合栅电容与介质厚度，估算出量子点半径为100 nm。
• 中心栅与上下栅组合的相对杠杆臂比值在不同量子点中分别为4:1、2:1与1:1，表明静电耦合程度各异。