[논문 리뷰] High-mobility compensated semimetals, orbital magnetization, and umklapp scattering in bilayer graphene moire superlattices

А. Л. Шилов, Mikhail Kashchenko외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저에너지 sub-THz 자극과 자기전도도를 조합하여, 정수 채움에서 특정한 조건에서 고이동도 보상 반도체를 갖는 정렬된 이중층 그래핀/hBN 모리 초격자에서의 전자적 성질을 규명하였다. 이들 시료는 0.25 T에서 2350%에 이르는 거대한 자기저항을 보이며, 효과적인 g-인자 340을 갖는 강하게 증폭된 밸리 스플리팅을 나타낸다. 또한 고온에서의 전도도를 제한하는 주요 산란 메커니즘으로 전자-전자 umklapp 산란을 규명하였다.

ABSTRACT

Twist-controlled moire superlattices (MS) have emerged as a versatile platform in which to realize artificial systems with complex electronic spectra. Bernal-stacked bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN) form an interesting example of the MS that has recently featured a set of unexpected behaviors, such as unconventional ferroelectricity and electronic ratchet effect. Yet, the understanding of the BLG/hBN MS electronic properties has, at present, remained fairly limited. Here we develop a multi-messenger approach that combines standard magnetotransport techniques with low-energy sub-THz excitation to get insights into the properties of this MS. We show that BLG/hBN lattice alignment results in the emergence of compensated semimetals at some integer fillings of the moire bands separated by van Hove singularities where Lifshitz transition occurs. A particularly pronounced semimetal develops when 8 electrons reside in the moire unit cell, where coexisting high-mobility electron and hole systems feature a strong magnetoresistance reaching 2350 % already at B=0.25 T. Next, by measuring the THz-driven Nernst effect in remote bands, we observe valley splitting, pointing to an orbital magnetization characterized by a strongly enhanced effective g-factor of 340. Last, using THz photoresistance measurements, we show that the high-temperature conductivity of the BLG/hBN MS is limited by electron-electron umklapp processes. Our multi-facet analysis introduces THz-driven magnetotransport as a convenient tool to probe the band structure and interaction effects in vdW materials and provides a comprehension of the BLG/hBN MS.

연구 동기 및 목표

• 모리 밴드의 정수 채움에서 이중층 그래핀/hBN 모리 초격자의 전자적 성질을 이해하기 위해.
• 고온 전도도를 결정짓는 전자-전자 상호작용 및 산란 메커니즘의 역할을 조사하기 위해.
• THz 자극을 통한 전도도 측정을 통해 위상적 자기모멘트와 밸리 스플리팅 존재 여부를 탐색하기 위해.
• 표준 자기전도도와 sub-THz 자극을 조합한 다중 메신저 접근법을 통해 전자 온도 영향과 격자 기여를 분리하기 위해.
• 반데르발스 헤테로구조에서 바르헤이 스타리스 전이와 라이프시츠 전이가 존재하는 조건에서의 비정상 자기저항 및 전도도 이질성의 기원을 규명하기 위해.

제안 방법

• 저에너지 sub-THz 복사(0.13 THz)를 사용하여 전자 시스템만 선택적으로 가열하고 격자는 냉각된 상태로 유지함으로써 전자 온도 제어를 가능하게 하였다.
• 저노이즈 이중 변조 기법을 사용한 사단자리 구성에서 THz 자극에 의한 광저항 $ R_{\text{THz}} $ 를 측정하여 전자적 반응을 고립하였다.
• 종래의 자기전도도 측정을 통해 종방향 저항도 $ \rho_{xx}(n) $ 를 매핑하고 양자 진동 및 플레이트오우를 식별하였다.
• 원거리 밴드에서 THz 자극을 통한 네르네르트 효과 측정을 통해 밸리 스플리팅을 탐지하고 궤도 자기모멘트 효과를 유추하였다.
• $ R_{\text{THz}} $ 가 캐리어 밀도 $ n $, 자기장 $ B $, 입사 THz 파워 $ P $ 에 따라 어떻게 변화하는지 분석하여 전자-포논 및 전자-전자 산란 메커니즘을 구분하였다.
• 원래의 BLG 브릴루앙 영역의 K점에 대한 이론적 밴드 구조 및 상태 밀도(DOS) 계산을 수행하여 실험적 특징을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 그래핀/hBN 모리 초격자에서 모리 밴드의 정수 채움 조건에서 어떤 전자적 상이 발생하는가. 특히 바르헤이 특이점 근처에서?
• RQ2 보상 반도체에서 전자 및 정공 시스템 간의 상호작용이 거대 자기저항 현상을 어떻게 유도하는가?
• RQ3 THz 자극을 통한 네르네르트 효과에서 관측된 강하게 증폭된 효과적 $ g_{\mathrm{v}} $-인자의 기원은 무엇인가?
• RQ4 고온에서의 주요 모리 밴드 전도도를 제한하는 산란 메커니즘 중 전자-포논과 전자-전자 중 어느 것이 지배적인가?
• RQ5 THz 자극을 통한 자기전도도 측정을 통해 반데르발스 헤테로구조에서 전자 온도 영향과 격자 기여를 어느 정도 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 고이동도 전자 및 정공 시스템이 공존하는 보상 반도체가 $ n/n_0 = -8 $ 에서 나타나며, 0.25 T에서 2350%에 이르는 거대 자기저항을 나타낸다.
• THz 자극을 통한 네르네르트 효과 측정에서 관측된 밸리 스플리팅은 효과적 $ g_{\mathrm{v}} $-인자 340과 일치하며, 강하게 증폭된 궤도 자기모멘트를 나타낸다.
• 금속 영역에서의 양의 $ R_{\text{THz}} $ 는 입사 THz 파워에 따라 스케일링되며, 전자-전자 umklapp 산란에 기인한 것으로 추정되며, 전자 온도 의존성의 $ T^2 $-유사 스케일링에 의해 확인되었다.
• umklapp 산란이 주요 모리 밴드에서 고온 전도도를 지배하며, 강한 $ R_{\text{THz}} $ 와 $ T^2 $-스케일링에 의해 뒷받침되며, $ |n/n_0| > 8 $ 에서는 포논 산란이 지배한다.
• 고채움 영역에서 $ R_{\text{THz}} $ 가 감소하는 현상은 약한 선형-온도 $ \Delta\rho_{\text{xx}}(T) $ 의 의존성과 관련이 있으며, 순수한 단층 그래핀과 유사한 포논 제한 전도도와 일치한다.
• 다각도적 분석을 통해 THz 자극을 통한 자기전도도 측정이 반데르발스 헤테로구조에서 밴드 구조 및 많은 몸체 상호작용을 탐색하는 강력한 도구임을 입증하였다.