[论文解读] Electronic transport in a two-dimensional superlattice engineered via self-assembled nanostructures

Yingjie Zhang, Young-Seok Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Graphene research and applications参考文献 73被引用 3

一句话总结

本研究展示了通过将石墨烯转移到自组装的纳米球单层上形成的二维超晶格中的电子输运，诱导出准周期性晶格应变。在每个原胞的载流子填充为共模数时出现的电导率谷值证实了能带的形成，且在更大应变下效应增强，该结果通过考虑跳跃积分调制的紧束缚模型得到验证。

ABSTRACT

Nanoscience offers a unique opportunity to design modern materials from the bottom up, via low-cost, solution processed assembly of nanoscale building blocks. These systems promise electronic band structure engineering using not only the nanoscale structural modulation, but also the mesoscale spatial patterning, although experimental realization of the latter has been challenging. Here we design and fabricate a new type of artificial solid by stacking graphene on a self-assembled, nearly periodic array of nanospheres, and experimentally observe superlattice miniband effects. We find conductance dips at commensurate fillings of charge carriers per superlattice unit cell, which are key features of minibands that are induced by the quasi-periodic deformation of the graphene lattice. These dips become stronger when the lattice strain is larger. Using a tight-binding model, we simulate the effect of lattice deformation as a parameter affecting the inter-atomic hopping integral, and confirm the superlattice transport behavior. This 2D material-nanoparticle heterostructure enables facile band structure engineering via self-assembly, promising for large area electronics and optoelectronics applications.

研究动机与目标

• 通过自下而上的纳米尺度构建单元自组装，设计二维材料中的人工电子能带结构。
• 探索纳米材料中的介观空间图案化，以实现超越纳米周期性的可调电子特性。
• 在具有可控晶格形变的石墨烯-纳米颗粒异质结中，实验观测超晶格亚能带效应。
• 将晶格应变与电导率谷值等电子输运特征在共模填充时相关联。
• 使用考虑应变调制跳跃积分的紧束缚模型验证观测到的输运行为。

提出的方法

• 通过将化学气相沉积生长的石墨烯转移到聚苯乙烯纳米球的自组装单层上，制备石墨烯-球体异质结。
• 利用低成本、溶液处理的自组装方法，在石墨烯晶格中形成近乎周期性但具有准周期性的形变。
• 通过电导率谱测量异质结中的电输运行为，以探测亚能带形成的信号。
• 使用具有位置依赖跳跃积分的紧束缚哈密顿量对形变晶格进行建模，以模拟电子能带结构。
• 系统性地改变应变大小，以关联晶格形变与输运特性。
• 分析每个超晶格原胞中电荷载流子整数填充时的电导率谷值，作为亚能带形成的证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 自组装纳米颗粒阵列是否能在悬浮石墨烯中诱导出可测量的超晶格亚能带效应？
• RQ2 由准周期性形变引起的晶格应变如何影响二维材料中的电子输运？
• RQ3 在共模载流子填充时，电导率谷值在多大程度上可作为应变二维超晶格中亚能带存在的信号？
• RQ4 是否能通过考虑应变调制跳跃积分的紧束缚模型定量再现观测到的输运特性？
• RQ5 介观空间图案化在实现二维异质结中能带结构工程方面起到何种作用？

主要发现

• 在每个超晶格原胞的载流子共模填充时，实验观测到电导率谷值，表明由于准周期性晶格形变而形成了亚能带。
• 电导率谷值的强度随晶格应变的增加而增强，证明了应变大小与亚能带可见性之间存在直接关联。
• 通过引入晶格形变调制原子间跳跃积分的紧束缚模型，成功再现了观测到的输运行为。
• 二维材料-纳米颗粒异质结实现了无需复杂光刻工艺的可扩展、溶液处理型能带结构工程。
• 结果证实，通过自组装实现的介观空间图案化可用于调控二维材料的电子特性。
• 该方法为基于人工二维超晶格的大面积、低成本电子与光电子器件提供了有前景的途径。