[论文解读] Transport spectroscopy of ultraclean tunable band gaps in bilayer graphene

E. Icking, Luca Banszerus+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2022

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究通过石墨烯栅控范德华异质结构，在双层石墨烯（BLG）中实现了超洁净、电场可调的带隙，带隙最大达120 meV，电阻超过100 GΩ，归因于极低的无序度。有限偏压输运谱学证实了接近理想的半导体行为，优于金栅控和硅栅控器件，为可调谐晶体管、太赫兹探测器及自旋电子学器件的应用提供了可能。

ABSTRACT

The importance of controlling both the charge carrier density and the band gap of a semiconductor cannot be overstated, as it opens the doors to a wide range of applications, including, e.g., highly-tunable transistors, photodetectors, and lasers. Bernal-stacked bilayer graphene is a unique van-der-Waals material that allows tuning the band gap by an out-of-plane electric field. Although the first evidence of the tunable gap was already found ten years ago, it took until recent to fabricate sufficiently clean heterostructures where the electrically induced gap could be used to fully suppress transport or confine charge carriers. Here, we present a detailed study of the tunable band gap in gated bilayer graphene characterized by temperature-activated transport and finite-bias spectroscopy measurements. The latter method allows comparing different gate materials and device technologies, which directly affects the disorder potential in bilayer graphene. We show that graphite-gated bilayer graphene exhibits extremely low disorder and as good as no subgap states resulting in ultraclean tunable band gaps up to 120 meV. The size of the band gaps are in good agreement with theory and allow complete current suppression making a wide range of semiconductor applications possible.

研究动机与目标

• 通过最小化无序度，实现并表征双层石墨烯（BLG）中超洁净、静电可调的带隙。
• 比较不同栅极材料（石墨烯、金、掺杂硅）对带隙质量和输运特性的影响。
• 证明石墨烯栅控BLG/hBN异质结构表现出接近理想的半导体行为，且亚带隙态极少。
• 通过有限偏压输运谱学验证可调带隙与理论预测的一致性。
• 实现基于BLG器件的高性能半导体应用，如隧道场效应晶体管、肖特基结二极管及自旋电子学器件。

提出的方法

• 使用石墨烯、金或掺杂硅作为背栅，制备双栅控双层石墨烯/六方氮化硼（hBN）范德华异质结构。
• 采用有限偏压输运谱学探测亚带隙态和无序势垒，对通过局域态的跃迁输运敏感。
• 进行温度激活输运测量，以提取带隙能量并评估热激活行为。
• 利用位移场（D-field）调节带隙，并将其与测得的电阻和电导抑制相关联。
• 通过分析在带隙区域内的电导钻石图和电阻极大值，比较不同栅极材料下的器件性能。
• 针对理想BLG的理论预测验证结果，重点关注带隙随D-field的变化规律以及尾态的缺失。

实验结果

研究问题

• RQ1 背栅材料（石墨烯、金、Si/SiO2）的选择如何影响双层石墨烯中可调带隙的质量？
• RQ2 双层石墨烯中的带隙在多大程度上可被调节并抑制至真正绝缘态？
• RQ3 无序和亚带隙态在多大程度上限制了栅控双层石墨烯器件的性能？
• RQ4 有限偏压谱学如何实现对BLG中无序和杂质态的检测与量化？
• RQ5 石墨烯栅控BLG/hBN异质结构在多大程度上符合理想半导体行为的理论预测？

主要发现

• 石墨烯栅控双层石墨烯/hBN异质结构实现了高达120 meV的带隙，与理论预测高度一致。
• 在带隙区域内测得的最大电阻值超过100 GΩ，仅受实验装置限制，表明电流几乎完全被抑制。
• 石墨烯栅控器件中未观察到显著的亚带隙态或陷阱态，证实了超洁净输运和极低无序度。
• 有限偏压谱学揭示了石墨烯栅控器件中强烈的电导抑制钻石图，表明其具有强健的带隙绝缘行为。
• 金栅控和硅栅控器件表现出由无序诱导的尾态特征，表现为电导异常和电阻对比度降低。
• 石墨烯栅控技术优于其他栅极材料，使器件性能最接近理想理论BLG行为。