[论文解读] Biased bilayer graphene: semiconductor with a gap tunable by electric field effect

Eduardo V. Castro, J. M. B. Lopes dos Santos+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2006

Graphene research and applications被引用 9

一句话总结

本文展示了通过电场可将双层石墨烯的电子能带隙从零调节至超过0.2 eV，使其转变为具有电场可调能隙的半导体。通过磁输运测量和紧束缚模型，作者表明栅压通过层间电势差诱导出能隙，该结果由明显的零霍尔电导平台和朗道能级的对称性破缺所证实，从而为可调谐电子学与光电子学应用提供了可能。

ABSTRACT

We demonstrate that the electronic gap of a graphene bilayer can be controlled externally by applying a gate bias. From the magneto-transport data (Shubnikov-de Haas measurements of the cyclotron mass), and using a tight binding model, we extract the value of the gap as a function of the electronic density. We show that the gap can be changed from zero to mid-infrared energies to a value as large as 0.3 eV by using fields of < 1 V/nm, below the electric breakdown of SiO2. The opening of a gap is clearly seen in the quantum Hall regime.

研究动机与目标

• 通过电场外场调控双层石墨烯的电子能带隙。
• 研究双层石墨烯在层间偏压作用下出现半导体样行为的机制。
• 建立观测到的量子霍尔效应与可调谐能隙打开之间的关联。
• 通过实验数据（包括磁输运和角分辨光电子能谱ARPES）验证能带结构的理论模型。

提出的方法

• 通过机械剥离法在SiO2/Si衬底上制备双层石墨烯器件，采用背栅霍尔棒结构。
• 施加栅压以调节载流子密度并诱导层间电势差，从而在两层之间形成电场。
• 进行低温磁输运测量（Shubnikov–de Haas效应），以提取朗道能级的回旋质量并检测朗道能级的量子化行为。
• 采用包含电子-电子相互作用和屏蔽效应的紧束缚模型与Hartree近似相结合。
• 在磁场下对具有锯齿形边缘的纳米带能谱进行建模，以解释观测到的σxy = 0处的量子霍尔平台。
• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）数据交叉验证理论预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层石墨烯的电子能带隙是否可通过电场实现外部调控？
• RQ2 施加的栅压与双层石墨烯中产生的能隙之间存在何种关系？
• RQ3 可调谐能隙的存在如何体现在量子霍尔效应中？
• RQ4 层间耦合与屏蔽效应对诱导能隙大小有何影响？
• RQ5 观测到的回旋质量不对称性在多大程度上证实了电场可调能隙的存在？

主要发现

• 在偏压双层石墨烯中，零霍尔电导平台（σxy = 0）的出现，表明在电中性点处存在一个具有能隙的绝缘态。
• 回旋质量相对于载流子密度表现出强烈的不对称性，为电场可调能隙的存在提供了直接实验证据。
• 通过低于1 V/nm的栅场，能隙可从零调节至超过0.2 eV，远低于SiO2的击穿阈值。
• 零霍尔平台伴随有4 K时纵向电阻超过150 kΩ，证实了电中性点处的绝缘态。
• 采用包含Hartree校正的紧束缚模型成功再现了实验数据，并解释了能隙打开的机制。
• 理论能谱与ARPES测量结果高度一致，验证了模型的准确性。