[论文解读] Boosting proximity spin orbit coupling in graphene/WSe$_2$ heterostructures via hydrostatic pressure

Bálint Fülöp, Albin Márffy+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2021

Graphene research and applications参考文献 66被引用 66

一句话总结

本研究证明，通过减小层间距离，静水压可增强石墨烯/WSe₂范德华异质结中的近邻诱导自旋-轨道耦合（SOC）。磁电导率测量中从弱局域化到弱反局域化的清晰转变表明，在1.8 GPa压力下SOC强度提高了3倍，从而实现了二维材料中可调的自旋-轨道工程。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures composed of multiple few layer crystals allow the engineering of novel materials with predefined properties. As an example, coupling graphene weakly to materials with large spin orbit coupling (SOC) allows to engineer a sizeable SOC in graphene via proximity effects. The strength of the proximity effect depends on the overlap of the atomic orbitals, therefore, changing the interlayer distance via hydrostatic pressure can be utilized to enhance the interlayer coupling between the layers. In this work, we report measurements on a graphene/WSe$_2$ heterostructure exposed to increasing hydrostatic pressure. A clear transition from weak localization to weak anti-localization is visible as the pressure increases, demonstrating the increase of induced SOC in graphene.

研究动机与目标

• 通过静水压实验演示石墨烯中近邻诱导自旋-轨道耦合（SOC）的调控。
• 研究层间距离调制对石墨烯/WSe₂范德华异质结中SOC强度的影响。
• 确立静水压作为调控自旋-轨道耦合并实现二维材料中拓扑态的可行手段。
• 通过弱局域化测量验证理论预测的压强诱导轨道杂化增强SOC的结论。

提出的方法

• 在Si/SiO₂基底上通过干法堆叠制备石墨烯/WSe₂/h-BN异质结，并施加全局背栅。
• 使用填充煤油的活塞-圆筒装置施加静水压（最高1.8 GPa），并保持低温（1.5 K）测量条件。
• 在不同背栅电压和压力下进行两探针电导率及低场磁电导率测量。
• 利用对称化和场减去的电导率图提取弱局域化（WL）和弱反局域化（WAL）信号。
• 采用三参数和五参数公式拟合磁电导率曲线，以提取自旋-轨道散射时间（τϕ, τasy, τiv）。
• 比较不同压力下的拟合结果，评估SOC强度的变化，重点关注WAL峰幅作为SOC的代理指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 静水压能否增强石墨烯/WSe₂异质结中的近邻诱导自旋-轨道耦合？
• RQ2 通过静水压减小层间距离如何影响石墨烯中自旋-轨道耦合的强度？
• RQ3 在压力下观察到的从弱局域化到弱反局域化的转变是否与SOC增强相关？
• RQ4 自旋-轨道散射时间（τϕ）在多大程度上可被定量提取，并与压强引起的改变相关联？
• RQ5 该体系中是否存在可测量的谷-Zeeman 类似SOC效应，且其是否影响弱局域行为？

主要发现

• 随着压力从0增加到1.8 GPa，磁电导率曲线中观察到从弱局域化到弱反局域化的清晰转变。
• 在1.8 GPa压力下，WAL峰幅增加了约3倍，表明近邻诱导自旋-轨道耦合显著增强。
• 提取的自旋-轨道散射时间τϕ从0 GPa时的~1.0 × 10⁻¹¹ s降低至1.8 GPa时的~3.3 × 10⁻¹² s，与SOC强度增加一致。
• 平面内自旋-轨道散射时间τasy随压力增加呈下降趋势，支持自旋-轨道耦合增强。
• 使用三参数和五参数公式的拟合结果一致，验证了提取的自旋-轨道时间的可靠性，并证实了三参数模型的适用性。
• 未发现谷-Zeeman效应（τsym）的显著影响，表明观测到的WAL行为主要由Rashba型SOC主导。