[论文解读] Realization of a Tunable Artificial Atom at a Charged Vacancy in Graphene

Jinhai Mao, Yuhang Jiang+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Graphene research and applications参考文献 31被引用 3

一句话总结

该论文通过在门控STM装置中稳定带电空位处的正电荷，在石墨烯中实现了一个可调谐的人工原子。通过施加电压脉冲，系统进入超临界区域，传导电子形成准束缚态，从而在空位位置形成具有增强态密度的门控可调量子点状态。

ABSTRACT

Graphene's remarkable electronic properties have fueled the vision of a graphene-based platform for lighter, faster and smarter electronics and computing applications. But progress towards this goal was stalled by the inability to confine its charge carriers with electrostatic potentials. Here we report on a technique to stably host and controllably modify a localized charge state in graphene. Using a vacancy in a gated graphene device we demonstrate that it is possible to deposit positive charge at the vacancy site and to build it up gradually by applying voltage pulses with the tip of a scanning tunneling microscope (STM). As the charge increases, its interaction with the conduction electrons in graphene undergoes a transition into a supercritical regime. In this regime itinerant electrons can be trapped in a sequence of quasi-bound states which resemble an artificial atom. The quasi-bound electron-states are detected by a strong enhancement of the density of states (DOS) within a disc centered on the vacancy site which is surrounded by halo of hole states. We further show that the quasi-bound states at the vacancy site are gate tunable and that the trapping mechanism can be turned on and off, providing a new paradigm to control and guide electrons in graphene.

研究动机与目标

• 为解决利用静电势限制石墨烯中载流子的挑战。
• 在门控石墨烯器件中的空位位点稳定局部电荷态。
• 展示类似人工原子的准束缚电子态的可控形成。
• 实现对捕获机制的门控可调性，以用于潜在的量子器件应用。

提出的方法

• 使用扫描隧道显微镜（STM）探针对门控器件中的石墨烯空位施加电压脉冲。
• 通过静电门控调节费米能级，调节空位处的电荷态。
• 通过扫描隧道谱测量局部态密度（DOS），检测准束缚态。
• 观察到系统进入超临界区域，电子-空位相互作用导致束缚态形成。
• 分析DOS的空间分布，识别出中心区域增强态密度的圆盘状结构，周围环绕着空穴样态密度区域。
• 通过门电压调制，实现对捕获机制的可逆开关控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在石墨烯的空位处创建稳定且可控的局域电荷态？
• RQ2 在空位处增加电荷是否会导致石墨烯中准束缚电子态的形成？
• RQ3 这些准束缚态能否通过门电压实现电学调控？
• RQ4 带电空位周围态密度的空间与能级结构如何？
• RQ5 电子捕获机制能否通过门电压实现可逆的开启与关闭？

主要发现

• 通过STM探针施加的电压脉冲，在石墨烯空位处成功沉积了稳定且可控的正电荷。
• 随着电荷增加，系统进入超临界区域，巡游电子形成准束缚态。
• 在空位位置观察到局部态密度（DOS）显著增强，形成中心圆盘状结构，周围环绕着空穴样态密度区域。
• 准束缚态具有门控可调性，可实现对电子捕获势的动态调控。
• 通过调节门电压，可逆地开启或关闭捕获机制。
• 该系统表现出人工原子的特性，具有可调谐的电子结构，为量子电子学应用提供了潜在前景。