半导体中带隙和电荷载流子密度的并发控制在光电探测器、高度可调晶体管和激光器中是可取的。Bernal堆叠双层石墨烯是一种范德华材料，允许通过施加平面外电场来调整带隙。
研究：双层石墨烯中超透明可调带隙的转运光谱。图片来源：Kateryna Kon/Shutterstock.com
尽管发现了可调谐带隙，但制造具有电可调带隙的清洁异质结构是应用于限制电荷载流子的最新成就。发表在《Advanced Electronic Materials》上的一篇文章讨论了具有可调带隙的门控双层石墨烯，其特征在于有限偏置输运光谱和温度激活输运测量。
有限偏置输运光谱有助于比较不同的栅极材料和相应的器件技术，从而影响双层石墨烯中无序的潜力。石墨门控双层石墨烯表现出低无序，没有亚间隙状态，导致可调带隙高达120毫伏特。
双层石墨烯中的可调谐带隙
石墨烯是碳的二维（2D）晶体形式，广泛用于电子学和光子学。单层和双层石墨烯结构具有零带隙，并通过石墨剥落或化学气相沉积（CVD）制备。
以AB或Bernal堆叠形式存在的双层石墨烯具有一半的相关原子直接位于下部石墨烯片的六边形中心上，而另一半原子位于另一个原子上，其中各层完全对齐。
具有零带隙的双层石墨烯表现得像半金属，其中可以通过在两层之间产生电位移场来引入带隙。虽然Bernal堆叠双层石墨烯是一种2D半金属，但平面外电场的应用可以将其转化为2D半导体，其电子带隙与位移场的强度成正比。
尽管使用扫描隧道光谱观察到可调谐带隙，但由无序引起的传输测量中的子间隙状态不能完全抑制电子传导，使得这种双层石墨烯器件不适合半导体应用。
这一缺陷既没有通过基于悬浮双层石墨烯的双门控结构的制备得到解决，也没有通过六方氮化硼（hBN）的双层石墨烯封装来解决。为此，基于石墨栅极的制造技术允许栅极控制的带隙，从而在双层石墨烯中实现真正的带绝缘状态。
双层石墨烯中的转运光谱
在本研究中，采用基于石墨栅的制备方法在双层石墨烯中引入可调谐带隙，通过有限偏置输运光谱测量观察到该带隙。获得的带隙与理论和从热激活传输中获得的值一致。
有限偏置输运光谱用于比较hBN器件技术和双门双层石墨烯，后者允许探针由于可能的无序或杂质状态而导致的跳跃转运，从而导致有效的尾和亚间隙状态。该研究表明，基于栅极的制造技术影响了最大的器件电阻。
此外，这种制造技术还影响了有限偏置电压的抑制电导，同时测量通过静电间隙双层石墨烯的传输和带隙与电位移场的可调性。
结果表明，通过对理想双层石墨烯的理论预测，石墨栅基双层石墨烯器件的行为与预期一样，揭示了器件在外加电位移场下的半导体行为。
在基于石墨栅极的双层石墨烯器件中，在由于陷阱或杂质状态而没有亚间隙能量的间隙状态下观察到100 gigaohms的最大电阻值。然而，金和硅门控器件似乎受到无序和亚间隙状态的影响。
因此，金门控器件表现出高间隙诱导电阻，其中带隙在有限偏置测量中减小，而在硅门控器件中未观察到带隙。总体结果证实，双层石墨烯在石墨门控BLG/hBN异质结构中是可探索的，揭示了其在释放可调谐2D半导体潜力方面的鲁棒性。
结论
总而言之，有限偏置输运光谱被证明是表征双层石墨烯带隙的通用方法。这种输运光谱方法的高灵敏度允许基于静电势对各种浇注技术的影响进行比较研究。
来自不同门控技术的测量表明，作为范德华异质结构一部分的石墨门控器件优于金和硅门控器件，并且表现与理想双层石墨烯的理论预测非常接近。
电阻高达100千兆欧的石墨门控器件实现了高达120毫电子伏特的带隙。这些结果强调了基于石墨的底栅对于基于双层石墨烯的范德华异质结构的重要性。此外，石墨烯/ hBN / 双层石墨烯器件的优异质量在目前的工作中得到了证明，以解决双层石墨烯的广泛应用。
参考
Icking, E., Banszerus, L., Wörtche, F., Volmer, F., Schmidt, P., Steiner, C., Engels, et al. (2022) Transport Spectroscopy of Ultraclean Tunable Band Gaps in Bilayer Graphene. Advanced Electronic Materials. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202200510
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