原子团簇吸附/掺杂转角双层石墨烯的量子反常霍尔效应实验研究

Quantum anomalous Hall effect is a hot research topic in the field of the condensed matter physics and materials physics, which does not depend on the strong magnetic field and produce by spontaneous magnetization of the material itself. If the experimental realization of the quantum anomalous Hall effect is possible, the limit of the Moore law would be removed and the development and progress of new generation of low energy consumption electronic devices would be promoted. . This project intends to investigate experimentally the huge magnetism, spin orbit coupling and the magnetic anisotropy energy in the hybrid system, using the atomic clusters combined with twisted bilayer graphene. The system is predicted on the basis of the application of spin polarization projection compose wave of density functional theory that quantum anomalous Hall effect can occur in twisted bilayer graphene in the presence of both an exchange field and Rashba spin orbit coupling. In order to break the time reversal symmetry, induce strong Rashba spin orbit coupling effect, and inspire mediocre topological properties of the electronic band structure, an appropriate bilayer graphene/antiferromagnetic insulating substrate is introduced into the complex hybrid system and an attempt on the observation of quantum anomalous Hall effect in the twisted bilayer graphene. The aim of this project is not only to develop the methods for the current research in quantum abnormal Hall effect, but also is important scientific significance to explore and reveal the topological surface state law of the magnetic cluster decorated on the twisted bilayer graphene. The project can also provide the important scientific basis on the application of the low-power valley electronics.

量子反常霍尔效应是当前凝聚态物理和材料物理领域的一大研究热点，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生，能够极大地克服摩尔定律的极限，促进新一代低能耗电子器件的创新与发展。本项目拟利用自旋轨道耦合强的原子团簇与转角双层石墨烯相结合，从实验上研究过渡金属元素的小团簇在转角双层石墨烯上的磁性、磁各向异性和自旋轨道耦合，理论上结合自旋极化的应用投影缀加波的密度泛函理论，并引入合适转角双层石墨烯/反铁磁绝缘衬底的复合体系来打破时间反演对称性，诱导出强的Rashba自旋轨道耦合作用，激发出复合体系电子能带结构的非平庸拓扑性质，期望在转角双层石墨烯上实现量子反常霍尔效应。本项目不仅对目前在量子反常霍尔效应研究过程中所遇到的困难提供新的思路，也为探索和揭示转角双层石墨烯中的磁性掺杂对拓扑表面态作用的规律具有重要的科学意义，在应用上还可以为将来设计低能耗的谷电子学器件提供重要的科学依据。

作为凝聚态物理关注的重点，转角对于二维异质结能带结构和态密度的高效调控能力同时也吸引了材料科学家们的关注。在这项工作中，（1）我们报告了在铜箔上合成了几种类型的多层石墨烯螺旋体，包括石墨烯洋葱。这些洋葱是由密集重叠的螺旋体形成的。我们的动力学蒙特卡洛模拟显示，多层石墨烯螺旋是由第一层石墨烯生长的传播边缘的缓慢碳扩散提供的。（2）在化学气相沉积生长和蚀刻过程中研究了多边形石墨烯岛的晶界。结合拉曼光谱，彩色拉曼映射可以提供多边形双层石墨烯中晶界的独特可视化。这些结果表明多边形蚀刻孔或连接蚀刻线也可用于表征多边形单层石墨烯中的晶界。（3）我们报告了化学气相沉积法在铜表面生长石墨烯纳米带和石墨烯纳米矛的过程。通过液态Cu-Si催化剂颗粒的表面传播引导的汽-液-固机制，实现了石墨烯纳米矛和石墨烯纳米带的生长。缓慢的横向生长和快速的汽-液-固垂直生长产生了矛头状的石墨烯纳米矛。合成的场效应晶体管装置表明石墨烯纳米矛和石墨烯纳米带具有≈2000cm2 V-1 s-1的高载流子移动率。场效应晶体管和开尔文探针力显微镜的测量结果都证实，合成的石墨烯纳米带的费米级从宽的部分向下移动到尖端是强 p 掺杂的。（4）本研究为了获得透明性和导电性均优异的石墨烯/银纳米线复合薄膜，实验得到当银纳米线稀释倍率为200倍时，最优复合薄膜的透光率为85.60%，方块电阻为0.210kΩ。本实验的研究结果，为实现石墨烯复合薄膜替代ITO薄膜在透明导电薄膜方面的应用，提供了一条简单有效的途径。（5）我们研究了过渡金属双卤素正常金属/超导体的自旋分辨散射问题。发现在自旋轨道相互作用的情况下，振荡、驼峰结构和隧穿电导的重入行为可以作为一个可靠的证据来区分 Rashba 环金属态和那些非平凡的金属态。以单层过渡金属二卤共化物(TMDC)为研究对象。发现材料非平凡的 Rashba 金属态由外部栅极电压控制，也阐明了非常规的 Rashba 金属态对 TMDC 约瑟夫森结中超电流的控制起着重要的作用，这对设计未来的超导器件有重要的意义。