基于超晶格能隙的门电压定义的石墨烯量子点接触

In conventional 2D electron gases (2DEG), gate-confinement is one of the most common ways to realize various nano-structures. However, due to the lack of a band-gap, monolayer graphene can not be gate-defined into an insulating state, thus is not able to be gate-defined into quantum confinement. The ways to induce a gap in such a system include quantum Hall cyclotron gap. The recently emerging graphene-bonron nitride super lattice causes the so-called Hofstadter butterfly energy spectrum, which basically induces a gap at the charge neutrality point at zero magnetic field. This remarkable effect provides us an unique opportunity to engineer nanosturctures by a electrical gate, since maintaining at Dirac point is now equal to maintaining a insulating state, thus allows one to have any nanostructure as the case for GaAs 2DEG. Based on this motivation, we here propose a research project of fabricating new type of quantum point contact (QPC) which utilizes the gap formed in the well-known BN-graphene super-lattice. The super-lattice gap based QPC will be formed with two sets of gates, one control the insulating area near the Dirac peak, the other tuning the conduction channel. Quantized conductivity is expected at zero magnetic field. We will also study the electron trasnport at high enough magnetic field where the the quantum Hall edge states interact at the crossing point of QPC confinement defined by the top gtae. Systems such as MoS2 and other nano-structures are possible using our technique.

在二维电子气中，门电压是常用的定义纳米结构的手段。然而，对于单层石墨烯而言，由于不存在能隙，门电压并不能将所覆盖样品区域调制成绝缘态，从而无法实现门电压定义的约束结构。在宏观体系中引入带隙的方法通常可以是霍尔效应下朗道能隙。近年来发展起来的石墨烯－氮化硼超晶格被报道在零场下将在石墨烯狄拉克点附近引入带隙，低温下呈绝缘态。这个特殊效应给我们提供了用此设计门电压来定义新型纳米结构的可能性。例如，在石墨烯－氮化硼异质结中引入两组电门，一组保持门电压覆盖的样品区域保持在狄拉克点附近的绝缘态，另一组用来调控其它区域的载流子浓度，从而达到调制量子点接触的电子输运的目的。零场下量子化的电导台阶是我们实验上将要寻找的特征信号。我们还将研究在较高磁场下体系进入量子霍尔态之后，边缘态在量子点接触附近的散射和耦合机制。此外，门电压定义的量子点接触还可以拓展至一维势阱等纳米结构，并用于MoS2等其它二维材料。

范德华异质结构由于其丰富的材料体系、堆叠方式、外场响应等，为新型纳米器件提供了极具价值的研究平台。本项目立足于实现氮化硼-石墨烯-氮化硼异质结的高迁移率二维电子气，并进一步利用对顶删极实现钳断，从而达到量子点接触的目的。本项目的实行，从实验方法上建立了一套完整的二维材料堆垛的制备平台，从单晶材料生长、少层二维功能材料力学解理、范德华堆垛、到纳米加工、低温测量，形成了一个链条化的研究手段。为后续基于二维层状材料的量子材料与量子器件的研究奠定了基础。目前量子点接触的实验还在进一步细化总结中，项目执行过程中，我们获得了大量间接与直接的创新性成果：1) 利用超薄（少数原子层）的六方氮化硼作为范德瓦尔斯异质结的隧穿层，系统开展了隧穿晶体管器件研究。所获得的MoS2隧穿晶体管仅通过门电压调控即可以实现具有不同功能的整流器件，包括pn二极管、全关、np二极管、全开器件。这项工作利用电子隧穿，首次将双向可调的二极管和场效应管集成到单个纳米器件中（过去要通过集成电路才能实现），为未来超薄轻量化、柔性多工作组态的纳米器件开创了新的研究方向。2) 通过范德华异质结制备方法构建纳米器件，首次实现了少数层Cr2Ge2Te6中电荷与自旋的双重双极全电操控，也将信息存储和逻辑运算集成为同一个单元，为未来信息技术产业的发展提供突破冯诺依曼架构的新的可能。该工作为继续寻找新的本征二维铁磁半导体提供了一定的指导意义，以期实现在室温下同时对自旋和电荷的操控。同时，由于二维材料通常具备可大规模制备与柔性可穿戴等特性，发展前景十分广阔。