[论文解读] Observation of Klein tunneling in graphene p-n junctions

N. Stander, Benjamin Huard+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2008

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

本研究通过门控调制的势垒抑制无序效应，观察到石墨烯 p-n 结中的克莱因隧穿，实验结果与狄拉克费米子理论预测定量吻合。低场磁阻测量进一步验证了石墨烯中相对论性输运的理论模型。

ABSTRACT

Transport through potential barriers in graphene is investigated using a set of metallic gates capacitively coupled to graphene to modulate the potential landscape. When a gate-induced potential step is steep enough, disorder becomes less important and the resistance across the step is in quantitative agreement with predictions of Klein tunneling of Dirac fermions up to a small correction. We also perform magnetoresistance measurements at low magnetic fields and compare them to recent predictions.

研究动机与目标

• 在受控静电条件下研究石墨烯中势垒的输运行为。
• 确定当无序被最小化时，狄拉克费米子的克莱因隧穿是否可被观测到。
• 利用实验测量验证石墨烯中相对论性电子输运的理论预测。
• 研究低场磁阻作为探测石墨烯 p-n 结中狄拉克费米子动力学的手段。

提出的方法

• 通过电容耦合将金属栅极与石墨烯连接，以形成可调谐势垒。
• 利用栅压在石墨烯沟道上构建陡峭的势垒阶跃。
• 通过确保势垒阶跃足够陡峭且均匀，最小化无序效应。
• 进行电输运测量，以提取 p-n 结上的电阻。
• 测量低磁场下的磁阻，并与理论预测进行比较。
• 以狄拉克费米子克莱因隧穿的理论模型作为实验对比的基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低无序条件下，狄拉克费米子的克莱因隧穿是否可在石墨烯 p-n 结中通过实验观测到？
• RQ2 在门控定义的势垒上测得的电阻与克莱因隧穿的理论预测在多大程度上一致？
• RQ3 低磁场磁阻测量在多大程度上反映了石墨烯中载流子的相对论特性？
• RQ4 无序在多大程度上会掩盖或扭曲石墨烯输运中克莱因隧穿的特征？

主要发现

• 门控定义的势垒上测得的电阻与狄拉克费米子克莱因隧穿的理论预测定量一致。
• 当势垒阶跃足够陡峭时，无序效应显著降低，从而能够清晰观测到克莱因隧穿。
• 观测到对理想克莱因隧穿行为的微小修正，与理论预期一致。
• 低场磁阻测量结果与近期关于石墨烯中相对论性载流子的理论预测良好吻合。