[论文解读] Quantum Hall effect in dual-gated graphene bilayers with tunable layer density imbalance

Seyoung Kim, Emanuel Tutuc|ArXiv.org|Sep 12, 2009

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本研究调查了双栅石墨烯双层在独立可调的总载流子密度和层间密度不平衡条件下的量子霍尔效应（QHE）。结果表明，尽管在电场作用下由于能带隙打开，ν=0 QHE态如预期出现，但ν=8和ν=12 QHE态在零不平衡时出人意料地被抑制，而在双层结构不平衡时反而增强——这表明电子-电子相互作用或无序性在单粒子理论之外起着关键作用。

ABSTRACT

We study the magnetotransport properties of dual-gated graphene bilayers, in which the total density and layer density imbalance are independently controlled. As the bilayer is imbalanced we observe the emergence of a quantum Hall state (QHS) at filling factor $ν=0$ evinced by a plateau in the Hall conductivity, consistent with the opening of a gap between the electron and hole bands. By varying the layer density imbalance at fixed total density, we observe a suppression of the QHS at filling factors $ν=8$ and $ν=12$ when the layer densities are balanced, an observation at variance with theoretical expectations in the absence of electron-electron interaction and disorder.

研究动机与目标

• 研究双栅石墨烯双层在独立控制总载流子密度和层间密度不平衡条件下的磁输运特性。
• 检查在可调横向电场下，填充因子ν=0、8和12处的量子霍尔态（QHS）行为。
• 确定电子-电子相互作用或无序性是否在单粒子理论预测之外影响双层石墨烯中QHS的稳定性。
• 解决在无相互作用或无序性时，观测到的QHS行为与理论预期之间的差异。

提出的方法

• 采用天然石墨在SiO2/Si基底上进行机械剥离，并使用高k介质材料制备双栅石墨烯双层器件。
• 通过在20 Å的Al成核层上采用原子层沉积（ALD）方法生长15 nm厚的Al2O3作为顶层介质，形成双层异质结构。
• 顶栅和背栅分别实现对总载流子密度（n_tot）和层间密度不平衡（Δn）的独立控制，电容分别为C_TG = 225 nF·cm⁻²和C_BG = 10 nF·cm⁻²。
• 在T = 0.3 K下利用锁相技术测量纵向（ρ_xx）和霍尔（ρ_xy）电阻，通过栅压反推出n_tot和Δn。
• 层间密度不平衡Δn定义为(n_B - n_T)/2，横向电场E = eΔn/ε₀。
• 通过改变V_TG和V_BG，测量ρ_xx和ρ_xy随n_tot和Δn的变化，揭示QHS的演化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 层间密度不平衡如何影响双栅石墨烯双层中ν=8和ν=12量子霍尔态的稳定性？
• RQ2 为何在零层间不平衡（Δn=0）时，ν=8和ν=12 QHS被抑制，与单粒子理论预测相反？
• RQ3 电子-电子相互作用或无序性能否解释QHS强度随横向电场（Δn）变化的观测行为？
• RQ4 在施加横向电场时，ν=0 QHS是否如预期出现，与单粒子理论中能带隙打开一致？
• RQ5 观测到的QHS行为是否具有可重复性，并且关于Δn符号具有对称性？

主要发现

• 当双层结构不平衡时，ν=0量子霍尔态在霍尔电导率中表现为平台，与由于横向电场引起能带隙打开的单粒子图像一致。
• ν=8和ν=12量子霍尔态在Δn=0时最弱，并随层间密度不平衡的增加而增强，且正负Δn方向均表现出对称的增强效应。
• 这种在零不平衡时的抑制与单粒子理论相矛盾，后者预测横向电场不会影响Landau能级间距。
• 在Δn=0时，ρ_xx与B的关系曲线表现出微小且可重复的振荡，类似于普遍电导涨落，表明存在扩展态和体对体的散射。
• 该行为无法用无序性不对称性来解释，因为QHS的增强对Δn的正负符号具有对称性。
• 结果强烈表明，电子-电子相互作用或场依赖的Landau能级展宽在稳定ν=8和ν=12 QHS中起着关键作用。