[论文解读] Engineering Interaction Effects and Gap Opening in Graphene Superlattices

Justin C. W. Song, A. V. Shytov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2012

Graphene research and applications被引用 2

一句话总结

本文提出一种多体理论，解释了石墨烯/六方氮化硼异质结中可调的莫尔超晶格如何通过电子关联效应增强狄拉克点能隙。通过将超晶格周期性作为调控旋钮，该理论预测狄拉克点能隙可增强数个数量级——显著超过由布喇格散射产生的次级能隙——从而解决了实验中观察到的大而可调能隙的谜题。

ABSTRACT

We develop a theory of interaction effects in graphene superlattices, where tunable superlattice periodicity can be used as a knob to control the gap at the Dirac point. Applied to graphene on hexa-boron-nitride (G/h-BN), our theory predicts substantial many-body enhancement of this gap. Tunable by the moire superlattice periodicity, a few orders of magnitude enhancement is reachable under optimal conditions. The Dirac point gap enhancement can be much larger than that of the minigaps opened by Bragg scattering at principal superlattice harmonics. This naturally explains the conundrum of large Dirac point gaps recently observed in G/h-BN heterostructures and their tunability by the G/h-BN twist angle.

研究动机与目标

• 理解在石墨烯/六方氮化硼异质结中观察到的出乎意料的大狄拉克点能隙的起源。
• 通过扭转角调控莫尔超晶格周期性，解释这些能隙的可调性。
• 建立一个将电子-电子关联与石墨烯超晶格能隙工程相联系的理论框架。
• 区分由电子关联引起的狄拉克点能隙增强与在超晶格谐频处由布喇格散射产生的能隙。

提出的方法

• 发展了一套针对具有可调周期性的石墨烯超晶格中电子关联的多体理论。
• 将狄拉克点能隙建模为莫尔超晶格周期的函数，并采用重整化微扰方法处理电子-电子关联。
• 将关联诱导的能隙增强与在主超晶格谐频处由布喇格散射产生的能隙进行比较。
• 将莫尔周期性作为可调参数，预测能隙的标度行为。
• 将该理论应用于石墨烯/六硼氮化物（G/h-BN）体系，其中实验数据表明存在大而可调的能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子-电子关联在增强石墨烯超晶格中狄拉克点能隙的过程中起什么作用？
• RQ2 莫尔超晶格周期性如何影响狄拉克点能隙的大小？
• RQ3 为何在G/h-BN异质结中的狄拉克点能隙远大于仅由能带结构预期的值？
• RQ4 关联诱导的能隙增强与在超晶格谐频处由布喇格散射产生的能隙在定量上如何比较？

主要发现

• 石墨烯/h-BN超晶格中的狄拉克点能隙显著受到多体电子-电子关联的增强。
• 在最佳条件下，能隙增强可达数个数量级，具体取决于超晶格周期。
• 关联诱导的能隙增强超过在主超晶格谐频处由布喇格散射打开的次级能隙。
• 狄拉克点能隙随扭转角的可调性可通过莫尔周期性对扭转角的依赖关系自然解释。