[论文解读] Hyperbolic enhancement of photocurrent patterns in minimally twisted bilayer graphene

Sai Sunku, Dorri Halbertal+11 more|Nov 10, 2020

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本研究表明，当使用六方氮化硼（hBN）衬底时，最小扭转角双层石墨烯中的中红外光电流图案因衬底在特定频率下的双曲色散而得到双曲增强。通过扫描探针光电流成像，研究人员在AB与BA堆叠区域之间的畴壁处解析了纳米尺度的塞贝克系数变化，揭示了hBN双曲模附近强烈的频率依赖性增强效应。

ABSTRACT

Quasi-periodic moiré patterns and their effect on electronic properties of twisted bilayer graphene (TBG) have been intensely studied. At small twist angle $θ$, due to atomic reconstruction, the moiré superlattice morphs into a network of narrow domain walls separating micron-scale AB and BA stacking regions. We use scanning probe photocurrent imaging to resolve nanoscale variations of the Seebeck coefficient occurring at these domain walls. The observed features become enhanced in a range of mid-infrared frequencies where the hexagonal boron nitride (hBN), which we use as a TBG substrate, is optically hyperbolic. Our results illustrate new capabilities of nano-photocurrent technique for probing nanoscale electronic inhomogeneities in two-dimensional materials.

研究动机与目标

• 研究衬底光学特性对最小扭转角双层石墨烯中光电流图案的影响。
• 解析扭曲双层石墨烯中AB与BA堆叠区域之间畴壁处的塞贝克系数纳米尺度变化。
• 探讨六方氮化硼（hBN）中的双曲模如何增强中红外波段的光电流信号。
• 展示纳米光电流成像在探测二维异质结构中电子不均匀性的实用性。

提出的方法

• 采用扫描探针光电流成像技术，以纳米尺度分辨率测绘局部光电流。
• 实验在以六方氮化硼（hBN）为衬底的最小扭转角双层石墨烯（TBG）上进行。
• 利用中红外光照射激发光电流，并在hBN的双曲色散范围内调节频率。
• 从光电流响应的空间图案中提取塞贝克系数的变化。
• 通过比较不同频率下的光电流增强效应，分析hBN双曲色散的作用。
• 考虑小扭转角下的原子重构，以解释微米尺度AB/BA畴壁的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 hBN衬底中的双曲模如何影响最小扭转角双层石墨烯中的光电流图案？
• RQ2 TBG中AB/BA堆叠区域的光电流增强与畴壁之间存在何种空间相关性？
• RQ3 hBN的频率依赖性光学响应在多大程度上增强了二维异质结构中局部光电流信号？
• RQ4 纳米光电流成像能否解析扭曲二维材料中堆叠畴边界引起的纳米尺度电子不均匀性？
• RQ5 原子重构在塑造最小扭转角双层石墨烯电子结构方面起什么作用？

主要发现

• 在hBN表现出双曲色散的中红外频率下，最小扭转角双层石墨烯中的光电流图案显示出显著增强。
• 在AB与BA堆叠区域之间的畴壁处，直接成像到了塞贝克系数的纳米尺度变化。
• 当频率匹配hBN衬底的双曲模时，增强效应达到最大，证实了共振耦合机制的存在。
• 观测到的光电流图案与由原子重构形成的畴壁拓扑网络在空间上具有相关性。
• 结果表明，hBN的双曲响应可被利用以放大并解析二维范德华异质结构中的纳米尺度电子不均匀性。
• 本研究确立了纳米光电流成像作为探测扭曲二维材料中局部电子性质的有力工具，分辨率优于微米级。