[论文解读] Few-layer graphene patterned bottom gates for van der Waals heterostructures

Martin Drienovsky, Andreas Sandner+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Graphene research and applications被引用 7

一句话总结

本文提出利用少层石墨烯（FLG）图案化底栅（PBG）实现范德华异质结构中的局域电学栅控，借助FLG的原子级平整性和可调图案化特性，实现锐利的纳米尺度势垒调制。该方法在石墨烯中实现了高质量的弹道输运，观测到法布里-珀罗振荡，并可调谐形成一维/二维周期性势垒景观，展现出约800 nm的平均自由程及在单极区高达40,000 cm²/Vs的迁移率。

ABSTRACT

We introduce a method of local gating for van der Waals heterostructures, employing a few-layer graphene patterned bottom gate. Being a member of the 2D material family, few-layer graphene adapts perfectly to the commonly used stacking method. Its versatility regarding patterning as well as its flatness make it an ideal candidate for experiments on locally gated 2D materials. Moreover, in combination with ultra-thin hexagonal boron nitride as an insulating layer, sharp potential steps can be created and the quality of the investigated 2D material can be sustained. To underline the good feasibility and performance, we show results on transport experiments in periodically modulated graphene- boron nitride heterostructures, where the charge carrier density is tuned via locally acting patterned few layer graphene bottom gates and a global back gate.

研究动机与目标

• 开发一种在范德华异质结构中实现局域电学栅控的方法，以避免基底粗糙度和应变效应的影响。
• 利用图案化少层石墨烯作为底栅，在二维材料中实现精确的纳米尺度势垒调制。
• 通过最小化拓扑和介电非均匀性，维持封装石墨烯中的高电子品质。
• 展示可调谐的一维和二维周期性势垒景观，以研究相干输运和pn结效应。
• 通过FLG PBG实现局域调制势垒下石墨烯的高迁移率和弹道输运。

提出的方法

• 将图案化少层石墨烯（FLG）作为底栅，沉积于基底上，并通过光刻工艺制备成一维或二维周期性条纹或孔阵列。
• 选择FLG是因为其原子级平整性、极低高度（约1 nm）以及优异的电导率，可最大限度减少转移后二维异质结构中的应变和粗糙度。
• 使用超薄六方氮化硼（hBN）作为FLG栅极与石墨烯沟道之间的绝缘层，以确保高质量介电性能和锐利的势垒阶跃。
• 通过全局背栅和FLG PBG进行输运测量，实现对全局和局域载流子浓度的独立调控。
• 采用包含周期性局域势垒分布的有效模型进行量子输运模拟，以重现实验观测到的电导振荡。
• 利用原子力显微镜（AFM）和光学显微镜对FLG图案几何结构进行表征，确保结构保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 少层石墨烯能否被有效图案化为底栅，从而在二维异质结构中实现锐利的纳米尺度势垒调制？
• RQ2 使用FLG作为底栅是否能保持高电子品质，并在封装石墨烯中实现弹道输运？
• RQ3 能否利用FLG PBG实现一维和二维周期性势垒景观，以研究相干输运和法布里-珀罗振荡？
• RQ4 全局背栅与图案化FLG底栅之间的相互作用如何影响载流子迁移率和输运行为？
• RQ5 FLG PBG方法在多大程度上可支持石墨烯中可调谐的pn结和双极性输运？

主要发现

• 观测到电导中的法布里-珀罗振荡，且四条周期性PBG条纹的模型拟合效果最佳，表明弹道平均自由程约为800 nm。
• 在一维调制样品中，载流子在多个晶格周期内表现出相干输运，证实了势垒调制的高质保真度和稳定性。
• 在周期性PBG的二维样品中，晶格常数为300 nm，孔径为150 nm，单极区载流子迁移率可达~40,000 cm²/Vs，双极区约为~10,000 cm²/Vs。
• 输运响应在单极与双极区表现出明显不对称性，后者迁移率降低是由于在pn结处发生散射。
• 模拟结果证实，精细电导振荡源于多势垒干涉效应，而非大尺度腔共振，验证了FLG PBG的纳米尺度精度。
• 该方法可实现任意一维和二维周期性势垒景观，包括弯曲的双极性结和波导结构，为二维材料物理研究开辟了新途径。