[论文解读] Realization of graphene logics in an exciton-enhanced insulating phase

Kaining Yang, Xiang Gao+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

Graphene research and applications参考文献 37被引用 4

一句话总结

本研究通过将双层石墨烯与反铁磁绝缘体 CrOCl 耦合，实现了稳定的激子绝缘相，实现了在 'ON' 状态下具有高迁移率的可控带隙。该系统实现了超过 10⁷ 的 ON-OFF 比率，并实现了功能性的类 CMOS 石墨烯反相器，标志着向碳基逻辑计算迈出了关键一步。

ABSTRACT

For two decades, two-dimensional carbon species, including graphene, have been the core of research in pursuing next-generation logic applications beyond the silicon technology. Yet the opening of a gap in a controllable range of doping, whilst keeping high conductance outside of this gapped state, has remained a grand challenge in them thus far. Here we show that, by bringing Bernal-stacked bilayer graphene in contact with an anti-ferromagnetic insulator CrOCl, a strong insulating behavior is observed in a wide range of positive total electron doping $n_\mathrm{tot}$ and effective displacement field $D_\mathrm{eff}$ at low temperatures. Transport measurements further prove that such an insulating phase can be well described by the picture of an inter-layer excitonic state in bilayer graphene owing to electron-hole interactions. The consequential over 1 $\mathrm{GΩ}$ excitonic insulator can be readily killed by tuning $D_\mathrm{eff}$ and/or $n_\mathrm{tot}$, and the system recovers to a high mobility graphene with a sheet resistance of less than 100 $\mathrmΩ$. It thus yields transistors with "ON-OFF" ratios reaching 10$^{7}$, and a CMOS-like graphene logic inverter is demonstrated. Our findings of the robust insulating phase in bilayer graphene may be a leap forward to fertilize the future carbon computing.

研究动机与目标

• 为解决在保持导通态高迁移率的同时实现石墨烯中可控、宽范围带隙的根本性挑战。
• 通过邻近 CrOCl 引入的强电子-空穴相互作用，在双层石墨烯中实现稳定、可调的激子绝缘相。
• 通过利用金属态与绝缘态之间尖锐的相变，实现实用的石墨烯基逻辑器件，包括类 CMOS 反相器。
• 通过利用二维范德华异质结中激子关联的特性，建立新的碳基电子学平台。

提出的方法

• 采用机械剥离和范德华堆叠技术制备 h-BN/BLG/CrOCl 异质结。
• 在 1.5 K 下采用双栅场效应测量，调节总电子掺杂浓度（n_tot）和有效位移场（D_eff），实现对绝缘相的调控。
• 采用交流锁相和直流电桥测量技术，在 D_eff–n_tot 参数空间中绘制电输运特性。
• 应用朗道能级量子化分析与理论建模，提取有效质量（m* ≈ 0.037mₑ）和库仑相互作用参数。
• 基于层间激子凝聚构建理论模型，引入化学势（μ）、电荷密度（n_I）和电容（C_0, C_eff）。
• 推导关键方程（如式 8），将栅压（V₁, V₂）与化学势和有效场关联，解释观测到的相边界及内建电场增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过与磁性绝缘体的邻近耦合在双层石墨烯中稳定激子绝缘相？
• RQ2 所形成的绝缘态是否在保持金属相高载流子迁移率的同时具备可调、宽范围带隙？
• RQ3 金属态与绝缘态之间的相变是否可用于实现石墨烯晶体管中高 ON-OFF 比率？
• RQ4 层间库仑相互作用与电子-空穴配对在形成观测到的激子绝缘体中起什么作用？
• RQ5 异质结中的内建电场在多大程度上可将有效带隙增强至超越传统静电栅控的极限？

主要发现

• 在 1.5 K 下，于正 n_tot 和 D_eff 的广泛范围内，观测到电阻超过 1 GΩ 的稳健激子绝缘相。
• 绝缘行为归因于层间激子凝聚，经输运测量与朗道能级量子化分析证实。
• 通过调节 D_eff 或 n_tot，系统在绝缘态与高迁移率金属态之间表现出尖锐相变，实现 ON-OFF 比率超过 10⁷。
• 通过回旋共振分析估算出双层石墨烯中载流子的有效质量为 m* ≈ 0.037mₑ。
• 从栅压依赖性推断出约 10 V/nm 的内建电场，远超传统电介质极限。
• 实验上成功演示了功能性的类 CMOS 石墨烯反相器，验证了石墨烯基逻辑电路的可行性。