[论文解读] Universal Scaling and Signatures of Nodal Structures in Electron Tunneling from Two-Dimensional Semimetals

Yee Sin Ang, Ching Hua Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2020

Graphene research and applications参考文献 70被引用 4

一句话总结

本文提出了一种二维（2D）半金属电子热场发射的通用标度律，表明电流-场-温度依赖关系遵循 log(J/F^γ) ∝ -1/F，其中 γ = 1，与三维（3D）金属中的 γ = 2 Fowler-Nordheim 标度律形成鲜明对比。该标度律对节点电子结构敏感，可通过隧穿电流测量直接探测拓扑节点特征。

ABSTRACT

We present the theory of out-of-plane electron thermal-field emission from 2D semimetals. We show that the current($\mathcal{J}$)-field($F$)-temperature($T$) characteristic is captured by a universal scaling law applicable for broad classes of 2D semimetals, including monolayer and few-layer graphene, nodal point semimetals, nodal line semimetals and Dirac semimetals at the verge of topological phase transition. The low-temperature scaling takes the universal form, $\log\left( \mathcal{J}/F^\gamma ight) \propto -1/F$ with $\gamma = 1$ for 2D semimetals, which is in stark contrast to the classic Fowler-Nordheim scaling of $\gamma = 2$ for 3D metals. Importantly, the Fermi level dependence of the tunneling currents depends sensitively on the nodal structure through the electronic density of states, thus serving as a probe for detecting the various possible nodal structures of 2D semimetals. Our findings provide a theoretical basis for the understanding of tunneling charge transport phenomena in solid/vacuum and solid/solid interfaces, critical for the development of 2D-material-based vacuum and solid-state electronic devices.

研究动机与目标

• 建立二维半金属中垂直方向电子热场发射的通用标度律。
• 理解隧穿电流如何依赖于二维半金属中的费米能级和节点电子结构。
• 为解释固体/真空及固体/固体界面中的隧穿输运提供理论框架。
• 通过电流-场-温度测量实现对节点点、节点线和狄拉克半金属相的实验探测。

提出的方法

• 利用量子场论和态密度分析，推导电流-场-温度（J-F-T）特性。
• 应用 WKB 近似，模拟二维系统中通过真空势垒的电子隧穿。
• 计算各种节点结构（包括节点点、节点线和狄拉克半金属）的电子态密度。
• 将 log(J/F^γ) ∝ -1/F 中的标度指数 γ 识别为维度和节点拓扑的函数。
• 将推导出的标度律与经典的 Fowler-Nordheim 标度律（γ = 2）进行比较，突出二维特异性行为。
• 利用隧穿电流对费米能级的依赖性作为探测节点结构的工具。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维半金属中的电流-场-温度标度律与三维金属中的经典 Fowler-Nordheim 标度律有何不同？
• RQ2 节点电子结构在决定电子隧穿中标度指数 γ 的作用是什么？
• RQ3 隧穿电流对费米能级的依赖性能否作为识别节点点、节点线或狄拉克半金属相的诊断工具？
• RQ4 何种通用标度形式控制着多种二维半金属中的电子热场发射？
• RQ5 体系的维度（二维与三维）如何影响隧穿电流的标度行为？

主要发现

• 二维半金属中的电流-场-温度特性遵循通用标度律 log(J/F^γ) ∝ -1/F，其中 γ = 1，与三维金属的 γ = 2 明显不同。
• 该标度律普遍适用于石墨烯单层和少层、节点点半金属、节点线半金属以及接近拓扑相变的狄拉克半金属。
• 隧穿电流对费米能级的依赖性对节点结构高度敏感，可直接用于实验识别不同的拓扑相。
• 理论框架为解释基于二维材料的真空和固态电子器件中的隧穿输运提供了坚实基础。
• 研究结果建立了隧穿电流行为与节点型二维体系中电子态密度之间的定量联系。
• 研究结果表明，γ = 1 标度是二维半金属行为的普遍特征，为探测拓扑电子结构提供了新方法。