Science：斯坦福大学研究人员在石墨烯/六方氮化硼异质结研究中取得新进展

【引言】

在固体中，电子的量子本质生成了能带结构，它控制着电子的传导和材料的光学性能。同样，长程超晶格能产生微能带结构，其分散在一个更好的能量尺度内，这个能量尺度跨越了一个缩减的布里渊区（布里渊区内会产生诸如负微分电导和布洛赫振荡等现象）。然而，制备长程周期模式极具挑战性，需要调节电势来形成分散性好的微能带结构但不能破坏材料的质量和电子相干性。大多数关于横向花纹半导体异质结的实验揭示了经典的可公度性效应，可并不需要微能带结构。尽管有关于在有序超晶格中费米表面重建的证据，费米表面的细节都被微能带结构和顺向磁分解之间弱分离现象所湮没。

高质量的石墨烯/六方氮化硼（h-BN）范德华异质结（偏差角小于1°）的到来大大改变了这一现状。在这一系统中，石墨烯中电子的周期电势被两种晶体间的不一致所产生的六边形莫尔条纹所利用。迪拉克电子的微能带结构已通过扫描隧道、电容和光学显微镜证明，包括磁运输。这些研究阐释了被称作霍夫施塔特蝴蝶的电子结构，它出现在一个量子化的磁场中。

二维金属内电子回旋器轨道的形状是一个费米表面90°旋转的形状，载体沿轨道顺时针或者逆时针旋转。靠近金属边界的电子轨道通向跃迁轨道，其跃迁方向取决于载体的有效电荷。这些跃迁轨道在聚焦线上突出，导致了横向电子聚焦（TEF）效应。

【成果简介】

近日，来自美国斯坦福大学的David Goldhaber-Gordon（通讯作者）等通过测量同一磁场中相邻触体间的轨道运输，被称作横向电子聚焦效应，来研究moiré微能带中电子的动力学特征。在低温下，研究人员观察到跃迁轨道的焦散线在数以百计的超晶格周期方向延展，为连续微能带逆转了回旋加速器的回旋，终止了在范霍夫奇点附近的回旋运动。在高温下，电子与电子间的碰撞抑制了聚焦。研究这类微能带的传导性能在设计超晶格器件中新型的运输行为很有必要。

【图文导读】

图1：实验概念图

（A）实验装置示意图，覆盖在一张设备的照片上。绿色部分显示的是h-BN/石墨烯/h-BN双分子层异质结。紫色部分是SiO₂基底，虚线表示的是石墨烯层的上边界；

（B）发射于发射器（红星处）的跃迁轨道模拟图。电子轨道束沿着聚焦线（红色虚线）聚焦于指向边界的等轴阵列；

（C）横向电子聚焦（TEF）图谱。

图2：基准温度下的TEF图谱

（A）石墨烯/h-BN超晶格微能带图。每一个所能观察到的微能带都被标记；

（B）根据触发电压下的TEF图谱。黑色虚线代表B₁，B₃和B₆，是在费米能级接近狄拉克点情况下一些预期的峰位置。绿色虚线代表由于回旋加速器运动中止所造成的TEF突然的终止；

（C）根据V_g下的TEF图谱。

图3：模拟跃迁轨道

在石墨烯/h-BN超晶格边界处的发射器发射出的跃迁轨道的几个代表性模拟图。

图4：TEF图谱与温度之间的关系

（A）V_M/I_L减去平滑的背景，得到电子密度，并且温度升至150K。升高温度可以抑制TEF；

（B）圆圈和三角形代表有效散射率，绿色粗线代表理论散射率，这与电子间的相互关系有关，方块和菱形代表声子的散射率。

【小结】

和操纵轨迹运输在电子系统中研究低能物理的一种强大手段。本文中，从发射器自由发出的准粒子到收集器的轨道轨迹在10mm左右，大约是700个超晶格周期。超冷原子的轨道运动已经在均匀光学晶格中被观察到，晶格大小在100个晶胞大小左右，但在固态下一维超晶格半导体中电子的平均自由程仅限于10个晶胞大小。实验阐释了在moiré超晶格中微能带电子动力学的关键特征，并且点出了新型运输效应进一步探索的方向。在技术层面，这样一个微能带传导性能的明确验证暗示石墨烯/h-BN是一种基于微能带物理设备的实用平台。在磁场中石墨烯超晶格的边缘产生的高效的光电流可能是由研究人员所观察到的跃迁轨道所造成的；此外，Hz设备如布洛赫振荡器能得益于该系统中更长的散射时间。

文献链接：Ballistic miniband conduction in a graphene superlattice（Science, 2016, DOI: 10.1126/ science.aaf1095）

本文由材料人编辑部纳米组Jun han Kong供稿，材料牛编辑整理。