金属表面石墨烯的可控生长、表征、与电学性质研究

Graphene, in which carbon atoms are arranged in a two-dimensional (2D) honeycomb lattice, is considered as a strong candidate for post-silicon electronic devices. The unique electronic properties of graphene mainly arise from its gapless, massless, and chiral Dirac spectrum. It ignited a tremendous outburst of scientific activities in both its fundamental physics and applications. One of the most fascinating aspects of graphene is that its topological features of the electronic states can be fundamentally changed by modifying its local lattice structure. Importantly, graphene's 2D nature makes it easier to add or remove carbon atoms to alter its electronic structures. In this project, we will synthesize monolayer and bilayer graphene on different metallic substrates (such as Pt, Rh, Ru, Cu, and Ni). The structures and the electronic properties of the synthesized samples were characterized by scanning tunnelling microscopy and transport measurements. Our project will establish the relationship between the structures of graphene and its electronic structures and properties. This could provide a new set of building blocks and device concepts for an all-graphene circuit in the future.

二维石墨烯量子体系由于其高电子迁移率、新奇的能带结构、易调控的电学性质,将有可能在下一代电子器件中有广泛的应用, 因此受到人们的广泛关注。本课题将系统地开展金属表面单、双层石墨烯的可控生长和表征, 研究不同金属衬底(Pt,Rh,Ru,Cu,和Ni等)对石墨烯生长的影响, 并利用低温扫描隧道显微镜(STM)和输运测量研究单、双层石墨烯的电子能带结构和电学性质。本课题拟以不同金属表面对单、双层石墨烯的结构的影响来调控石墨烯的电学性质, 例如通过应力改变石墨烯晶格结构、双层石墨烯之间扭转角的变化、原子缺陷的引入等调控石墨烯的新奇量子性质。本课题的研究将深入理解石墨烯量子体系中电子结构和电学性质被调制的物理原因,实现基于石墨烯的各种基本功能电子器件，为石墨烯在未来微纳电子器件中的应用提供实验和理论上的支持。

项目背景：金属衬底对石墨烯结构和性质预期有较大的影响，但相关方面的实验工作一直没有深入开展，所以我们系统开展了相关方面的研究。..主要研究内容：我们发展了一整套方法在不同金属表面生长石墨烯，得到了不同层数和堆垛方式的石墨烯体系，并研究了这些石墨烯体系的新奇物理性质。..重要结果、关键数据及其科学意义：我们重点在双层有转角石墨烯、应变石墨烯和不同堆垛的多层石墨烯的结构与性质研究方面取得了一系列研究成果，简单介绍如下：.（一）双层有转角石墨烯研究方面：我们深入系统地研究了小转角双层石墨烯的结构和电学性质，发现在转角为1.1度的样品中电子被Moire条纹形成的周期势所限制，在费米面处形成了一个平带，意味着电子的费米速度降为0 m/s。这是首次在凝聚态材料体系里观察到non-Abelian规范势，这一发现也预示着可以通过转角很好的调制石墨烯的电学性质；我们系统测量了不同转角双层石墨烯的朗道量子化，深入研究了其费米速度随转角以及耦合强度的关系，证明转角和耦合强度都可以极大地影响该体系的物理性质，澄清了文献中对该体系存在广泛争议的一些结果。.（二）应变石墨烯研究方面：我们通过外加强磁场测量应变石墨烯的朗道量子化，通过其朗道量子化的研究定量地证明应变石墨烯中存在着很强的电子-空穴不对称，并指出这一不对称行为来源于应变诱导的次近邻耦合增强；在应变石墨烯中，非均匀的应变会产生赝磁场，这一赝磁场类似于磁场中的轨道场部分，但没有破坏时间反演对称性，在石墨烯的两个谷（valley）中是大小相等方向相反的，如果同时有外加磁场的存在，则真实磁场和赝磁场共同作用下能实现谷极化的朗道量子化，我们首次在实验上测量到了这一谷极化的朗道量子化现象。.（三）不同堆垛的多层石墨烯研究方面：我们深入系统地测量了单层石墨烯、双层AB堆垛石墨烯、三层ABA、ABC堆垛石墨烯的朗道量子化行为，指出在单层石墨烯中只有无质量Dirac费米子，在双层AB堆垛石墨烯只有有质量Dirac费米子，而三层ABA堆垛石墨烯中无质量Dirac费米子与有质量Dirac费米子共存。我们系统测量了双层石墨烯中的AB-BA畴壁，三层石墨烯ABA-ABC畴壁的结构和新奇电学性质。