[论文解读] Local Gate Control of Electronic Transport in Graphene Nanostructures

Barbaros Özyilmaz, Pablo Jarillo‐Herrero+4 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

本研究通过局部电场门控实现对石墨烯纳米结构的调控，构建可调谐的 p-n-p 结结，从而观测到与手征性边缘态相关的分数量子霍尔平台。研究人员揭示了在某些平台中存在强烈的边缘间反向散射敏感性，从而可估算无序强度并深入了解边缘态弛豫动力学。

ABSTRACT

We have developed a device fabrication process to pattern graphene into nanostructures of arbitrary shape and control their electronic properties using local electrostatic gates. Electronic transport measurements have been used to characterize locally gated bipolar graphene $p$-$n$-$p$ junctions. We observe a series of fractional quantum Hall conductance plateaus at high magnetic fields as the local charge density is varied in the $p$ and $n$ regions. These fractional plateaus, originating from chiral edge states equilibration at the $p$-$n$ interfaces, exhibit sensitivity to inter-edge backscattering which is found to be strong for some of the plateuas and much weaker for other plateaus. We use this effect to explore the role of backscattering and estimate disorder strength in our graphene devices.

研究动机与目标

• 开发一种将石墨烯图案化为任意纳米结构并实现局域电场门控的制造工艺。
• 在高磁场下研究局域门控双极性石墨烯 p-n-p 结中的电子输运行为。
• 理解由手征性边缘态引起的分数量子霍尔平台中边缘间反向散射的作用。
• 利用分数平台中的反向散射敏感性估算石墨烯器件中的无序强度。

提出的方法

• 利用局域电场门控将石墨烯图案化为任意形状的纳米结构。
• 应用局域门控独立调节石墨烯 p-n-p 结中 p 区和 n 区的电荷密度。
• 通过电子输运测量探测高磁场下的量子霍尔效应。
• 分析局域门电压对分数量子霍尔电导平台的影响。
• 利用平台中反向散射的敏感性推断系统中的无序强度。
• 通过输运特征研究 p-n 界面处手征性边缘态的弛豫行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域电场门控如何实现对石墨烯纳米结构中电子特性的调控？
• RQ2 在石墨烯 p-n-p 结的分数量子霍尔平台中，边缘间反向散射起什么作用？
• RQ3 反向散射敏感性在不同分数量子霍尔平台中如何变化？
• RQ4 边缘态弛豫与无序在多大程度上影响观测到的电导平台？
• RQ5 能否通过反向散射测量估算石墨烯器件中的无序强度？

主要发现

• 在高磁场下，局域门控石墨烯 p-n-p 结中观测到分数量子霍尔电导平台。
• 这些平台源于 p-n 界面处手征性边缘态的弛豫。
• 反向散射效应强烈依赖于具体平台，部分平台表现出强烈的反向散射，而其他平台则弱得多。
• 反向散射敏感性的差异为估算器件中无序强度提供了有效探针。
• 局域门控可精确调节 p 区和 n 区的电荷密度，从而支持深入的输运研究。
• 结果表明，边缘态动力学与石墨烯纳米结构中可测量的输运异常之间存在直接关联。