[論文レビュー] Few-layer graphene patterned bottom gates for van der Waals heterostructures

Martin Drienovsky, Andreas Sandner+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、van der Waals異質構造における局所的電気的ゲーティングのための、少数層グラフェン（FLG）パターニングボトムゲート（PBG）を提案する。FLGの原子的に平坦な表面と調整可能なパターニング特性を活かし、鋭いナノスケールのポテンシャル変調を実現する。この手法により、高品質でバルクな輸送特性を示すグラフェンが得られ、観測されたファブリ・ペロー振動およびチューナブルな1次元／2次元周期的ポテンシャル・ランドスケープを実現。平均自由行程は約800 nmであり、単極的領域では最大40,000 cm²/Vsのモビリティを達成した。

ABSTRACT

We introduce a method of local gating for van der Waals heterostructures, employing a few-layer graphene patterned bottom gate. Being a member of the 2D material family, few-layer graphene adapts perfectly to the commonly used stacking method. Its versatility regarding patterning as well as its flatness make it an ideal candidate for experiments on locally gated 2D materials. Moreover, in combination with ultra-thin hexagonal boron nitride as an insulating layer, sharp potential steps can be created and the quality of the investigated 2D material can be sustained. To underline the good feasibility and performance, we show results on transport experiments in periodically modulated graphene- boron nitride heterostructures, where the charge carrier density is tuned via locally acting patterned few layer graphene bottom gates and a global back gate.

研究の動機と目的

• 基板の粗さや応力効果を回避する、van der Waals異質構造における局所的電気的ゲーティング手法の開発。
• パターニングされた少数層グラフェンをボトムゲートとして用いて、2次元材料における高精度でナノスケールのポテンシャル変調を実現すること。
• トポロジカルおよび誘電的不均一性を最小限に抑えることで、カプセル化されたグラフェンの高電子的品質を維持すること。
• 一様な輸送とpnジャンクション効果を研究するための、チューナブルな1次元／2次元周期的ポテンシャル・ランドスケープの実現。
• FLG PBGを用いた局所的ポテンシャル変調により、グラフェンにおける高モビリティおよびバルク輸送の実現。

提案手法

• パターニングされた少数層グラフェン（FLG）をボトムゲートとして用い、基板上に堆積し、リソグラフィーで1次元または2次元周期的ストライプまたはホールのアレイに加工する。
• FLGは、原子的に平坦で、高さが約1 nmと小さく、優れた電気的導電性を示すため、移動された2次元異質構造における応力および粗さを最小限に抑える。
• FLGゲートとグラフェンチャネルの間の絶縁層として、超薄膜の六方晶窒化硼（hBN）を用い、高品質な誘電体と鋭いポテンシャルステップを確保する。
• グローバルバックゲートとFLG PBGを併用して輸送測定を実施し、グローバルおよび局所のキャリア密度を独立して調整可能にする。
• 実験的導電率の振動を再現するため、周期的な局所ポテンシャルプロファイルを有する有効モデルを用いて量子輸送シミュレーションを実施。
• AFMおよび光学顕微鏡を用いて、FLGパターニングの幾何形状を評価し、構造的整合性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少数層グラフェンを、2次元異質構造における鋭いナノスケールのポテンシャル変調を可能にするボトムゲートとして効果的にパターニングできるか？
• RQ2 FLGをボトムゲートとして用いることで、カプセル化されたグラフェンにおける高電子的品質とバルク輸送が維持されるか？
• RQ3 FLG PBGを用いて1次元および2次元周期的ポテンシャル・ランドスケープを実現できるか？これにより、一様な輸送およびファブリ・ペロー振動の研究が可能か？
• RQ4 グローバルバックゲートとパターニングされたFLGボトムゲートの相互作用が、キャリアのモビリティおよび輸送状態にどのように影響するか？
• RQ5 FLG PBG手法が、チューナブルなpnジャンクションおよびバイポーラー輸送をどの程度サポートできるか？

主な発見

• 導電率のファブリ・ペロー振動が観測され、4つの周期的PBGストライプで最もよく再現され、バルク平均自由行程が約800 nmであることを示唆している。
• 1次元変調されたサンプルでは、複数の格子周期にわたる一様な輸送が確認され、ポテンシャル変調の高品質および安定性が裏付けられた。
• 格子定数300 nm、ホール径150 nmの2次元周期的PBGサンプルでは、単極的領域で約40,000 cm²/Vsのキャリアモビリティ、バイポーラー領域で約10,000 cm²/Vsのモビリティを達成した。
• 輸送応答は、単極的とバイポーラー領域で明確な非対称性を示し、pnジャンクションでの散乱によりバイポーラー領域のモビリティが低下している。
• シミュレーションにより、細かい導電率の振動は大規模なキャビティ共鳴ではなく、複数の障壁による干渉に起因しており、FLG PBGのナノスケールの精密さが裏付けられた。
• 本手法により、任意の1次元および2次元周期的ポテンシャル・ランドスケープ（曲がったバイポーラー接合や波ガイドを含む）の作成が可能となり、2次元材料物理学の新たな道が開かれた。