[论文解读] Electronic Structures and Their Landau Quantizations in Twisted Graphene Bilayer and Trilayer

Long‐Jing Yin, Jia-Bin Qiao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Graphene research and applications参考文献 30被引用 6

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜与谱学技术，探究扭曲石墨烯双层与三层结构中的电子结构及朗道能级量子化现象。结果表明，扭曲双层石墨烯表现出类似无质量狄拉克费米子的朗道能级，而三层石墨烯则呈现具有105 meV带隙的有质量狄拉克费米子行为，其最低朗道能级中出现谷极化与层极化——与施加电场的双层Bernal石墨烯行为相似。

ABSTRACT

Electronic structures and their Landau quantizations in twisted graphene bilayer and trilayer are investigated using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy. In the twisted trilayer, the top graphene layer and second layer are AB (Bernal) stacking and there is a stacking misorientation between the second layer and third layer. Both the twisted bilayer and trilayer exhibit two pronounced low-energy van Hove singularities (VHSs) in their spectra. Below the VHSs, the observed Landau level quantization in the twisted bilayer is identical to that of massless Dirac fermion in graphene monolayer. Our result demonstrates that both the VHSs and Fermi velocity of the twisted bilayer depends remarkably on the twist angle and the interlayer coupling strength. In the twisted trilayer, we directly observe Landau quantization of massive Dirac fermion with a sizable band gap 105 meV, which results in valley (layer) polarization of the lowest Landau levels. Such a result is similar to the expected Landau quantization in Bernal graphene bilayer with a moderate electric field.

研究动机与目标

• 理解扭曲石墨烯双层与三层体系的电子能带结构。
• 研究扭转角与层间耦合如何影响电子性质及朗道能级量子化。
• 探测范霍夫奇点的出现及其对费米速度与能带色散的调制作用。
• 确定扭曲三层石墨烯是否表现出有质量狄拉克费米子行为并具有可观测的朗道能级量子化。
• 探讨由于带隙打开，低能朗道能级中是否存在谷极化与层极化。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）与谱学（STS）在原子尺度探测局域电子结构。
• 实验在具有可控扭转角的机械剥离扭曲双层与三层石墨烯样品上进行。
• 通过测量微分电导dI/dV谱，在高磁场下分析朗道能级量子化行为。
• 借助理论建模解释观测到的朗道能级间距与能带结构特征。
• 从STS测量提取的态密度中识别范霍夫奇点。
• 基于谱学特征评估扭转角与层间耦合对费米速度与带隙的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯双层与三层结构中的扭转角如何影响电子能带结构与朗道能级量子化？
• RQ2 扭曲三层石墨烯中低能电子态的本质是什么，特别是是否存在有质量狄拉克费米子？
• RQ3 范霍夫奇点在多大程度上影响扭曲石墨烯体系中的费米速度与朗道能级谱？
• RQ4 由于带隙打开，是否可在扭曲三层石墨烯的最低朗道能级中诱导出谷极化或层极化？
• RQ5 扭曲双层石墨烯中的朗道能级结构与单层石墨烯及Bernal堆叠双层石墨烯相比有何异同？

主要发现

• 扭曲双层石墨烯表现出与单层石墨烯中无质量狄拉克费米子相同的朗道能级量子化，证实其无带隙狄拉克锥特性。
• 扭曲双层中两个显著的低能范霍夫奇点位置强烈依赖于扭转角与层间耦合强度。
• 在扭曲三层石墨烯中，打开105 meV的带隙，导致有质量狄拉克费米子行为并表现出可观测的朗道能级量子化。
• 扭曲三层石墨烯的最低朗道能级显示出谷极化与层极化，类似于施加中等电场的Bernal堆叠双层石墨烯。
• 扭曲双层石墨烯中的费米速度可通过扭转角与层间耦合显著调控，从而影响朗道能级间距。
• 观测到的三层石墨烯朗道能级谱与有质量狄拉克费米子的理论预测一致，证实了可调带隙的存在。