[论文解读] Changes in Fermi surface topology and Hofstadter quantization in graphene superlattices

Л. А. Пономаренко, Roman Gorbachev+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Graphene research and applications被引用 1

一句话总结

本研究证明，将石墨烯在六方氮化硼上对齐可诱导形成莫尔超晶格，显著改变石墨烯的电子结构，产生高阶狄拉克点，并实现霍夫施塔特型量化。在磁场下观测到霍尔效应的反转以及多个中性点，证实了有效质量的可调性以及狄拉克点的泽克类型克隆，揭示了通过范德华异质结构工程化二维电子谱的可控平台。

ABSTRACT

Lateral superlattices have attracted major interest as this may allow one to modify spectra of two dimensional electron systems and, ultimately, create materials with tailored electronic properties. Previously, it proved difficult to realize superlattices with sufficiently short periodicity and weak disorder, and most of the observed features could be explained in terms of commensurate cyclotron orbits. Evidence for the formation of superlattice minibands (so called Hofstadter's butterfly) has been limited to the observation of new low-field oscillations and an internal structure within Landau levels. Here we report transport properties of graphene placed on a boron nitride substrate and accurately aligned along its crystallographic directions. The substrate's moire potential leads to profound changes in graphene's electronic spectrum. Second-generation Dirac points appear as pronounced peaks in resistivity accompanied by reversal of the Hall effect. The latter indicates that the sign of the effective mass changes within graphene's conduction and valence bands. Quantizing magnetic fields lead to Zak-type cloning of the third generation of Dirac points that are observed as numerous neutrality points in fields where a unit fraction of the flux quantum pierces the superlattice unit cell. Graphene superlattices open a venue to study the rich physics expected for incommensurable quantum systems and illustrate the possibility to controllably modify electronic spectra of 2D atomic crystals by using their crystallographic alignment within van der Waals heterostuctures.

研究动机与目标

• 探讨石墨烯/hBN异质结中的莫尔超晶格如何改变电子谱与费米面拓扑结构。
• 研究高阶狄拉克点在对齐石墨烯超晶格中的出现及其输运特征。
• 在非共格区域中，观测并表征磁场下的霍夫施塔特型量化行为。
• 通过范德华异质结中的晶格取向控制，证明对有效质量和载流子类型的有效调控。

提出的方法

• 通过外延对齐石墨烯与六方氮化硼，形成周期性莫尔势阱，周期性小于10 nm。
• 在高磁场下测量电输运特性，包括纵向电阻率与霍尔电阻率。
• 通过分析量子振荡与中性点，识别超晶格亚能带与高阶狄拉克点的形成。
• 利用磁场调节通过超晶格原胞的磁通量，实现对分数磁通量量子化效应的观测。
• 通过电阻率中的周期性与霍尔效应反转，识别泽克类型能带克隆。

实验结果

研究问题

• RQ1 对齐的石墨烯/hBN异质结产生的莫尔势如何改变石墨烯的费米面拓扑结构与电子能带结构？
• RQ2 石墨烯超晶格中高阶狄拉克点的形成具有何种输运特征？
• RQ3 在磁场下，霍夫施塔特型量化是否可在石墨烯超晶格中实验观测到？其检测条件为何？
• RQ4 石墨烯中载流子的有效质量在超晶格能带结构中如何变化？其变化的证据是什么？
• RQ5 通过范德华异质结中受控的晶格取向，二维材料的电子谱在多大程度上可被工程化？

主要发现

• 第二代狄拉克点以尖锐的电阻率峰形式出现，并伴随霍尔效应反转，表明载流子有效质量发生符号反转。
• 霍尔效应反转证实了石墨烯导带与价带中有效质量的符号变化。
• 磁场诱导第三代表狄拉克点的泽克类型克隆，表现为当单位分数磁通量子穿过超晶格原胞时出现多个中性点。
• 新出现的低场振荡与内部朗道能级结构支持了与霍夫施塔特蝴蝶谱一致的超晶格亚能带形成。
• 该体系展示了通过范德华异质结中精确对齐实现对二维材料电子谱的可控工程化平台。
• 所观测到的输运现象归因于非共格量子效应，凸显了在二维原子晶体中研究复杂量子系统的潜力。