原子团簇修饰石墨烯及其量子霍尔响应的实验研究

The project aims to carry out the work on quantum hall response of decorated graphene. Using exfoliated or CVD-prepared graphene, we create some expected defects by ion irradiation. After the deposition of size selected clusters, the transport of the graphene sheet and its Hall response will be studied. We will tune the absorbates, defects in order to introduce intense spin orbital interaction , magnetic anistropy to the system. Such efforts may lead to the observation of the quantum spin/anomalous Hall effect. The main characters of this project includes 1) we have contructed an instrument to support this work, where the cluster generation, size selection, deposition and transport measurement will be carried out in situ. 2) The defect of graphene will be controled in high vacuum and low temperature. 3) Clusters will provide additional dimension for the Hall engineering of graphene. THis project will benefit the present interest in the quantum spin/anomalous Hall effects among the communities of condensed matter physics.

本项目拟开展团簇修饰石墨烯相关实验并研究该体系的量子霍尔效应。我们将采用解理法、CVD法制备石墨烯，控制制备路径并配合电子束、离子束的方法控制其缺陷类型和数量，然后将质量选择的金属团簇沉积在石墨烯上，测量石墨烯的输运特征及相干条件的改变。我们将精细改变吸附原子、缺陷等特征，给石墨烯引入自旋轨道耦合、磁各向异性并破坏其对称性，尝试在石墨烯中诱发量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等多种新型的量子态。本项目的主要特色是1）我们建设了一套团簇束流产生-质量选择-在线修饰-输运测量联合装置，特别适合本项目的开展; 2）调控石墨烯缺陷束缚吸附物，可获得更稳定的结构; 3）采用dimer、trimer或多原子团簇给吸附中心提供更多可调的维度。本项目这些有特色的样品条件和实验方法将为凝聚态物理关注多年的量子自旋/反常霍尔态研究提供新的思路。

本课题组三年来围绕着《项目任务书》的预定研究计划，在重大设备建设、实验、理论研究齐头并进，研究工作开展顺利，执行情况良好，全面实现了《项目任务书》制定的主要项预期目标。我们通过在室温下获得较大的小场分子体系磁电阻效应、获得pA级别的质量选择团簇束流、获得了若干大磁矩/电极矩团簇候选单元等实验手段，我们开展了以下工作：提高团簇、功能团簇、团簇材料以及分子（团簇）有序结构，初步研究材料结构与性能的相互关系；完善原子团簇束流的离子光学系统，提高束流空间聚焦、能量聚焦的水平，改善束流品质；设计和检验一系列金属团簇和团簇组装结构，制备石墨烯和拓扑绝缘体的介观样品，研究其输运特征；搭建了多种实验平台。我们从团簇产生、样品制备、器件制造等方面开展工作，取得建设团簇质量选择系统、制备Cu团簇掺杂能带绝缘Bi2Te3拓扑材料、发展体态媒介表面态耦合图像和团簇调控石墨烯量子拓扑态等新进展，以第一单位发表31篇论文。其中，团簇调控拓扑表面态的量子霍尔效应工作，Mo0.25W0.75Te2中第二类Weyl态的发现，以及WTe2压力诱导超导电性工作在 Nature Communications上发表，高迁移率铁磁拓扑绝缘体的合成工作在Advanced Materials上发表，拓扑横向异质结的首次合成及其电子器件工作在Nano Letters上发表，完成了研究目标。