Sci.adv.：石墨烯点接触中的易配置零维谷手性模式！！

美国明尼苏达大学Ke Wang团队发表了题为“Easy-to-configure zero-dimensional valley-chiral modes in a graphene point junction ”的工作在Science Advances期刊上。

本研究展示了一种石墨烯点接触器件架构，其中易于配置的零维谷手性PN结能够携带估计极化率约为80%的谷电流。这项工作为操纵谷量子数和可扩展的谷电子学提供了一个构建模块。

背景

在二维材料中，谷自由度可以被操纵以实现低耗散的量子电子学，称为谷电子学。在双层石墨烯具有不同原子或电静配置的区域边界上，已经实现了谷极化电流。然而，这些器件的制造和操作要求限制了设备的可重复性和可扩展性。

主要内容

1. 器件架构开发：开发了一种点接触(PJ)器件架构，其中PN结和量子点接触(QPC)在器件中心同时定义。
2. 零维PN结：通过改变栅极电压，可以轻松地电静地配置PN结和QPC。
3. 谷手性模式：通过特定的栅极配置，引入了谷手性模式，这些模式在P到N区域的电流主要由K谷的谷手性1D模式携带。
4. 谷手性量子霍尔态：在高磁场下，观察到具有拓扑保护的高极化谷手性量子霍尔态。

实验细节概括

• 样品制备：在预先沉积的底部栅极上转移六方氮化硼(hBN)封装的双层石墨烯(BLG)堆叠层。
• 器件定义：通过电子束光刻和反应离子刻蚀定义了器件的最终几何形状。
• 电学测量：在4.2 K的低温下，使用四探针技术测量了量子传输。
• 磁场实验：在高达6 T的磁场下进行了电学和磁电学测量。

创新点

1. 易于配置的零维谷手性PN结：通过改变栅极电压，可以轻松地电静地配置PN结和QPC。
2. 谷手性模式的直接观测：通过特定的栅极配置，引入了谷手性模式，这些模式在P到N区域的电流主要由K谷的谷手性1D模式携带。
3. 拓扑保护的谷手性量子霍尔态：在高磁场下，观察到具有拓扑保护的高极化谷手性量子霍尔态。
4. 零维PN结的电学特性：通过四探针测量，观察到了PN结的量子隧道效应，其电阻随着位移场的增加而单调增加。
5. 谷手性模式的观测：在特定的栅极配置下，测量到了谷手性模式的存在，其电阻显著小于非手性配置。
6. 谷手性量子霍尔态：在高磁场下，观察到了谷手性量子霍尔态的Shubnikov-de Haas振荡，其振荡最小值接近h/(4e^2)。
7. 谷极化的估计：通过并行通道模型，估计了谷极化率约为80%。

结论

研究者们开发了一种石墨烯点接触器件架构，通过电静配置实现了零维PN结和谷手性模式。这些模式可以轻松地配置和调整，为谷电子学提供了一个可扩展的平台。

图文内容

图1. 电场定义的零维PN结。(A) BLG器件的光学图像，展示了多个水平底栅和垂直顶栅。(B) 典型的预图案化底栅的AFM表面形貌。(C) 沿(B)中红线的1D切片，显示了小于1纳米的粗糙度，这对于弹道电场操作至关重要。(D) 设备结构示意图，包括多个顶栅和底栅。栅电压的变化将BLG电场划分为两个N掺杂(P掺杂)和两个绝缘区（具有Δ和2Δ能带隙）。(E) 顶（底）栅电压为(Vt1, Vt2, Vb1, Vb2) = (-2.5 V, -5 V, +2.5 V, +5 V)时显示，带隙在设备中心的PJ处并未闭合。(F) 和(G) K和K′谷的载流子对测量的隧穿电流的贡献相等，且没有谷手性。(H) 随着底栅电压从(Vb1 = +2.5 V, Vb2 = +5 V)偏移ΔVb1和ΔVb2，测得的四探针电阻。电阻峰值出现在ΔVb1 = ΔVb2 = 0时建立的PJ，电阻值在远离峰值的情况下下降。(I) PJ电阻随位移场的变化。(J) PJ电阻随直流偏压VDC的变化，在不同的D场下从D/ε0 = 0.14 V/nm（蓝色）到D/ε0 = 0.26 V/nm（红色），增量为0.01 V/nm。

图2. 易于配置的零维谷阀(A) 设备的电场配置，将顶（底）栅电压视为一个单独的栅电压，电压(Vt1, Vt2, Vb1, Vb2)分别为(+2.5 V, -5 V, -2.5 V, +5 V)。图中显示了沿两个对角方向的1D能带图和2D载流子密度分布。在N掺杂（P掺杂）区和绝缘区（具有-Δ和2Δ能带隙）的共同角落，能带隙和载流子密度同时反转，PJ被定义为满足谷-手性模式的条件。(B) 和(C) 尽管两个谷的量子隧穿都在预期中，但从P区到N区的电流主要由K谷的谷-手性1D模式传导。(D) 测量的四探针电阻的定性特征，随着两个底栅电压从(Vb1 = -2.5 V, Vb2 = +5 V)的偏移ΔVb1和ΔVb2进行调节。当ΔVb1 = ΔVb2 = 0时，谷-手性PJ建立，电阻峰值出现；当两个绝缘区变为掺杂状态时，电阻值下降。(E) 测量的四探针PJ电阻与位移场D的函数关系。(F) 测量的PJ电阻与直流偏压VDC的函数关系。测得的PJ电阻显示了如预期的欧姆行为，并且在PJ附近的类型2隧穿有效屏障消失时，对D场的依赖性较弱。(G) 估计的谷极化和(H) 在不同D场下的净PJ电阻，从D/ε0 = 0.14 V/nm（蓝色）到D/ε0 = 0.26 V/nm（红色），增量为0.01 V/nm。类型2隧穿在非平凡模式中的估计通过反向净PJ电阻与4e²/h之间的差值（H插图）来完成。

图3. 具有拓扑保护高极化的谷-手性量子霍尔态(A) 在不同的位移场下，谷-手性态PJ的Shubnikov–de Haas振荡电阻图，从0.19 V/nm（紫色）到0.23 V/nm（红色），增量为0.01 V/nm。图中数据垂直偏移1.5千欧姆，彩色虚线表示h/(4e²)——这是预期的谷-手性态的电阻。振荡的深度出现在费米能级位于P区和N区的Landau带隙中（虚线和相应的Chern数），与每个D场的体载流子密度一致。插图：振荡深度的电阻对B场的依赖性较弱，值约为h/(4e²)。(B到E) 压缩态（红色：P型；蓝色：N型；黄色：零能量K谷-手性；紫色：零能量K′谷-手性）和不可压缩态（白色）的空间分布。在整数体填充时，电子输运完全通过K谷(B)和K′谷(C)的谷-手性态进行，从而观察到电阻的深度为h/(4e²)。在部分体填充[(D)和(E)]中，体区中的反向散射电阻与谷-手性电阻h/(4e²)串联，导致电阻峰值的出现。(F) 在所有四个区域中使用相同符号的D场（Δ区域）的控制实验（平凡配置），其中预期没有两个谷的谷-手性量子霍尔态（G和H）。随着B场的增大，ν = 0 Landau带隙增加，测得的电阻急剧增加并最终饱和，这与振荡行为形成对比。

文献

Davydov et al., Sci. Adv. 10, eadp6296 (2024)

DOI: 10.1126/sciadv.adp629