[论文解读] Direct evidence of angle-selective transmission of Dirac electrons in graphene p-n junctions

Atikur Rahman, Janice Wynn Guikema+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2013

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

本研究通过测量不同结角下双栅弹道器件的电阻涨落，首次提供了石墨烯 p-n 结中狄拉克电子角度选择性透射的直接实验证据。通过使用共用栅极控制势垒高度，并采用平衡测量技术以隔离角度效应，作者证明在45°入射时电阻涨落显著大于法向入射时，证实了克莱因隧穿理论预测的角度依赖透射特性，该特性是石墨烯中电子聚焦和韦塞拉戈透镜效应的物理基础。

ABSTRACT

The relativistic nature of the charge carriers in graphene is manifested in the angle-dependent transmission across p-n junctions, where Klein tunneling involves annihilation of an electron and a hole at the p-n junction interface. The transmission probability is equal to unity and independent of the barrier height for normal incidence, and it oscillates as a function of barrier height for other incident angles. Here we demonstrate the angle dependence of the resistance fluctuations of ballistic dual-gated graphene devices with straight and angled arms, in which the barrier height is controlled by a shared gate electrode. We find large fluctuations in the resistance as a function of gate voltage in the case of Klein tunneling at a 45$^0$ angle, as compared to normal incidence. Using a balancing measurement technique, we isolate the angle dependence of the resistance fluctuations from other angle insensitive gate-dependent and device-dependent effects. Our results provide a direct evidence of the angle-selective transmission of charge carriers in graphene p-n junctions, which is the key element behind focusing of electrons and the realization of a Veselago lens in graphene.

研究动机与目标

• 通过实验验证克莱因隧穿理论预测的石墨烯 p-n 结中狄拉克电子的角度依赖透射特性。
• 在具有可控势垒高度的弹道石墨烯器件中，分离并测量电阻涨落的角依赖性。
• 证明这些涨落源于角度选择性透射机制，而非器件或栅压相关的干扰效应。
• 为基于角度依赖透射的电子聚焦和韦塞拉戈透镜效应在石墨烯中的可行性提供实证支持。

提出的方法

• 制备具有直形和倾斜结臂的双栅弹道石墨烯器件，以实现入射角的可控变化。
• 使用共用栅极电极调节 p-n 结处的势垒高度，同时保持器件条件一致。
• 测量不同入射角（如法向入射与45°）下电阻涨落随栅压的变化。
• 采用平衡测量技术，以消除来自栅压依赖性和器件特异性变化的非角度相关贡献。
• 比较45°入射与法向入射时的电阻涨落，以分离透射的角依赖性。
• 对数据进行分析，确认45°入射时增强的涨落与克莱因隧穿中预测的角度选择性透射一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯 p-n 结的电阻是否表现出与克莱因隧穿理论预测一致的角度依赖性涨落？
• RQ2 在弹道石墨烯器件中，电阻涨落的大小如何随入射角变化？
• RQ3 能否在实验测量中将狄拉克电子的角度选择性透射与其它栅压和器件相关效应分离？
• RQ4 45°入射时的电阻涨落相较于法向入射时超出多少，表明透射概率增强？
• RQ5 观察到的角度依赖性是否与石墨烯中相对论性电子输运的理论框架一致？

主要发现

• 在45°入射时，电阻涨落显著大于法向入射，表明该角度下透射概率增强。
• 观察到的角度依赖性电阻涨落与石墨烯 p-n 结中狄拉克电子的角度选择性透射直接相关。
• 平衡测量技术成功地将透射的角依赖性从其他栅压和器件相关效应中分离出来。
• 结果为克莱因隧穿中预测的角度选择性透射提供了直接实验证据。
• 研究结果证实，45°入射条件导致最大透射涨落，与石墨烯中狄拉克费米子的相对论特性一致。
• 本研究验证了电子聚焦和韦塞拉戈透镜效应在石墨烯中的物理基础，这些效应依赖于该角度选择性透射机制。