[论文解读] Electronic band gaps and transport properties in periodically alternating mono- and bi-layer graphene superlattices
本研究探讨了周期性交替的单层与双层石墨烯超晶格（MBLG SLs）中的电子能带隙与输运特性。利用传输矩阵法，研究发现零-k能隙的存在独立于晶格常数，且可通过层间耦合和宽度比进行调控；在特定条件下，额外的狄拉克点会出现，从而实现对电子电导率的调控。
We investigate the electronic band structure and transport properties of periodically alternating mono- and bi-layer graphene superlattices (MBLG SLs). In such MBLG SLs, there exists a zero-averaged wave vector (zero-$\overline{k}$) gap that is insensitive to the lattice constant. This zero-$\overline{k}$ gap can be controlled by changing both the ratio of the potential widths and the interlayer coupling coefficient of the bilayer graphene. We also show that there exist extra Dirac points; the conditions for these extra Dirac points are presented analytically. Lastly, we demonstrate that the electronic transport properties and the energy gap of the first two bands in MBLG SLs are tunable through adjustment of the interlayer coupling and the width ratio of the periodic mono- and bi-layer graphene.
研究动机与目标
- 研究周期性交替的单层与双层石墨烯超晶格（MBLG SLs）中的电子能带结构与输运特性。
- 理解MBLG SLs中零平均波矢（零-k）能隙的起源及其可调性。
- 确定额外狄拉克点在能带结构中出现的条件。
- 探索通过层间耦合与宽度比控制，对前两个能带能隙及电导率的可调性。
提出的方法
- 采用传输矩阵法求解MBLG SLs中四分量赝自旋波函数的本征方程。
- 使用具有位置依赖电势和双层区域层间耦合t′j的紧束缚哈密顿量。
- 应用布洛赫定理推导无限周期结构的色散关系，将能隙与总传输矩阵的迹相联系。
- 通过传输矩阵乘积计算透射系数T(E, ky)，并基于角平均透射率分析电导率。
- 改变晶格常数Λ、宽度比wA/wB、层间耦合t′B及外加电势VA、VB，以探测能带与输运行为。
- 基于色散关系与三角函数约束，推导额外狄拉克点存在性的解析条件及零-k能隙条件。
实验结果
研究问题
- RQ1MBLG SLs中的零-k能隙如何依赖于晶格常数、宽度比与层间耦合？
- RQ2在何种条件下，MBLG SLs的电子能带结构中会出现额外的狄拉克点？
- RQ3通过层间耦合与宽度比能否调控MBLG SLs中前两个能带的能隙与电导率？
- RQ4平均层间耦合t′与MBLG SLs中电子输运特性之间存在何种关系？
主要发现
- MBLG SLs中存在零-k能隙，其对晶格常数Λ不敏感，但可通过调节宽度比wA/wB与层间耦合t′B实现调控。
- 随着晶格常数增大，零-k能隙周期性地开启与关闭，其宽度随Λ非单调变化。
- 当晶格常数超过临界值时，能带结构中会出现额外的狄拉克点，且其数量随Λ增加而增多。
- 基于能带色散关系与三角函数约束，推导出额外狄拉克点存在的解析条件。
- 通过调节t′B与wA/wB，可调控前两个能带的能隙与角平均电导率，从而实现对电子输运的控制。
- 在无势垒条件下，平均层间耦合t′与第一能带隙仍可通过t′B与wA/wB实现调控，为电导率工程提供了新方法。
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