Nature:碳材料新进展!多层菱方石墨中的电子相分离

发布时间:2020-08-17

背景介绍

石墨有两类比较稳定的相,即六方相(hexagonal graphite,HG)和菱方相(rhombohedral graphite,RG),当前的研究主要基于前者进行。石墨烯的大量新奇物理性质,如狄拉克锥能带、超高迁移率、量子霍尔效应等,均是基于其六方相的研究。区别于传统六方相,菱方石墨由ABC堆垛而成,相关理论预测其在表面有超平的局域化能带,并导致相关的新奇量子行为,如:超导电性、铁磁性、量子霍尔效应等。因此RG是研究电子-电子相互作用的理想载体。相对而言,RG的稳定性较差,尽管有很多理论研究预测了它们的新奇物理特性,但是实验物理研究仍然较少。



本文亮点

利用范德华堆垛,来自曼彻斯特大学的Artem Mishchenko等人构建了RG晶体,最多可达50层。对应的RG晶体表现出独特的拓扑电输运特性,作者们观察到了RG中带隙的打开,在低温下,输运特性主要由表面态而非体态主导。对应于这种拓扑特性,作者们观察到了零带隙半金属相到带隙量子自旋霍尔相的转变,后者伴随着极高的贝里曲率(Berry curvature)。此外,带隙的打开可以通过人为施加垂直方向的磁场,破坏反演对称性来实现。而对于低于4nm的样品,其带隙可以自发打开,并伴随着迟滞和电子相分离。作者们将其归因于强关联电子表面态的出现。



图文解析


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● 图1. RG薄膜的输运特性。

a)RG中电子的层间跃迁机制,其中亮/暗小球分别代表AB次晶格的碳原子;

b)考虑到所有的层间电子跃迁时的RG表面态的色散关系。歪斜跃迁的γ4在平带以外引入了可观的能带展宽2γ4γ1/γ0,并引入了电子-空穴的不对称性。γ2和γ3的存在导致三角扭曲的能带。蓝色和红色分别表示导带和价带,双箭头表示导带和价带之间的有限带重叠;

c)当带隙Δ>2γ4γ1/γ0时RG的能带。双箭头指示带隙的大小;

d)电位移场D=0时RG和HG横向电阻率xx随载流子浓度的变化曲线;

e)横向电阻率xx随电位移场D的变化曲线。


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● 图2. 多层RG中厚度依赖的输运特性


a-d)四种不同厚度RG的电导率成像;

e)临界电位移场Dc的厚度依赖性,大于该临界场上,输运间隙打开;

f)固定电位移场D,测试电导率xx的阿伦尼乌斯图(0.57 Vnm-1(红色正方形),0.62 Vnm-1(蓝色正方形),0.66 Vnm-1(绿色方框),0.76Vnm-1(黄色方块))。为了比较,在插图中绘制了D=0 Vnm-1(蓝星)时高电阻状态的热活化能。


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● 图3. RG中的量子霍尔效应


a)朗道扇形图与强烈的电子-空穴不对称性:3nm器件的横向电导xx随载流子浓度和磁场的成像xx(n,B);

b)a图中空穴区关于磁场和朗道能级填充因子的成像xx(,B);

c)a图中电子区关于朗道能级填充因子的微分电导成像dxx/d(,B);

d)分别使用带隙和零带隙计算的低能(彩色曲线)和高能(黑色)区域的多层RG中的朗道能级。自由粒子和带隙区域通过相变分开。红线和蓝线分别对应于具有相反自旋(量子自旋霍尔)或具有相反能谷自由度(层间反铁磁性)的电子状态。

e) 量子自旋霍尔阶数对朗道能谱的影响。数字表示填充因子。LL7和LL8表示第零个朗道能级的轨道指数。↑(红线)和↓(蓝线)表示自旋劈裂的朗道能级。ΔQSH指量子自旋霍尔阶数,而K和K'是相对的谷底。灰色线划定了带隙相和自由电子相的过渡。

f)与e相同,但用于层间反铁磁性。


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● 图4. 多层RG绝缘相中的回滞现象


a)约3.3纳米厚RG器件中随载流子浓度的回滞现象;

b)相同器件的随垂直外外磁场B⊥的磁滞现象;

c) 约3.6 nm厚单栅极RG器件随平行外磁场B||的磁滞现象;

d)c图中的临界相图:取决于B||的绝缘相变。


原文链接:


https://www.nature.com/articles/s41586-020-2568-2



来源:研之成理



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