[论文解读] Topological Bands in G/h-BN Heterostructures

Justin C. W. Song, Polnop Samutpraphoot+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2014

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

本文提出了一种通过将石墨烯对准六方氮化硼（h-BN）来在范德华异质结中工程化拓扑能带的方法，利用堆叠依赖的贝里曲率来调控电子拓扑。关键结果表明，谷霍尔效应和长程谷电流可实现对能带拓扑的非局域电学诊断，为设计可调拓扑材料提供了新途径。

ABSTRACT

We outline an approach to endow a plain vanilla material with topological properties by creating topological bands in stacks of manifestly nontopological atomically thin materials. The approach is illustrated with a model system comprised of graphene stacked atop hexagonal-boron-nitride. In this case, the Berry curvature of the electron Bloch bands is highly sensitive to the stacking configuration. As a result, electron topology can be controlled by crystal axes alignment, granting a practical route to designer topological materials. Berry curvature manifests itself in transport via the valley Hall effect and long-range chargeless valley currents. The non-local electrical response mediated by such currents provides diagnostics for band topology.

研究动机与目标

• 展示一种在原本平凡的二维材料（如石墨烯）中诱导拓扑特性的实用方法。
• 解决在无本征拓扑序的原子级薄材料中实现可控能带拓扑性的挑战。
• 探究石墨烯与h-BN之间晶格对准如何调控贝里曲率和电子拓扑。
• 建立堆叠构型与可观测拓扑输运现象之间的联系。
• 提出一种利用非局域谷电流探测二维异质结中能带拓扑的诊断框架。

提出的方法

• 使用莫尔超晶格框架对石墨烯/h-BN异质结的电子能带结构进行建模。
• 计算电子布洛赫能带的贝里曲率作为石墨烯与h-BN之间相对旋转对准的函数。
• 采用紧束缚模型描述扭曲异质结中的电子耦合和能带色散。
• 分析由于动量空间中非零贝里曲率而产生的谷霍尔效应。
• 模拟由拓扑能带结构介导的长程无电荷谷电流。
• 提出非局域电学测量作为通过谷输运探测拓扑序的诊断工具。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在石墨烯和h-BN等非拓扑二维材料的堆叠结构中工程化拓扑能带？
• RQ2 石墨烯/h-BN异质结中晶格轴的相对对准如何影响电子能带的贝里曲率？
• RQ3 谷霍尔效应和谷电流在多大程度上可作为此类系统中能带拓扑的特征信号？
• RQ4 这些异质结中的非局域电响应能否用于实验诊断拓扑序？
• RQ5 莫尔周期性在通过堆叠控制实现可调拓扑特性方面起到什么作用？

主要发现

• 石墨烯/h-BN异质结中电子能带的贝里曲率对两种材料的相对堆叠构型高度敏感。
• 通过控制石墨烯与h-BN晶格的旋转对准，可以调控包括非零贝里曲率在内的拓扑能带特性。
• 由于动量空间中的贝里曲率，该系统表现出谷霍尔效应，从而产生长程无电荷谷电流。
• 由这些谷电流介导的非局域电响应为能带拓扑提供了直接的实验诊断手段。
• 该方法通过结构工程而非化学掺杂或本征材料特性，实现了可调拓扑材料的设计。
• 结果表明，这是一种实用的全二维方法，仅通过范德华异质结即可构建可设计的拓扑系统。