曹原,第一篇Nature Nanotechnology!
vivi 2021-05-05
许多电子设备的功能与其界面有密切联系,界面处材料的电学性质会急剧改变。通常,这种界面要求原子组成在发生急剧变化的同时,能够避免离子迁移和保持晶格匹配,从而以减少载流子的散射。尽管以上的要求是很难同时满足的,但是一种最具潜力的解决方案是使用扭曲双层石墨烯,它可以在不改变原子组成的情况下拥有多种电子基态。当两个石墨烯片堆叠在一起,其晶格排列偏差约为1.1°时,调控外部电场和感生电荷掺杂,可使得该材料变成导体、绝缘体、超导体甚至是铁磁体。


研究内容
麻省理工学院的Daniel Rodan-Legrain,曹原,Pablo Jarillo-Herrero以及苏黎世联邦理工学院的Folkert K. de Vries,Peter Rickhaus等人分别在Nature Nanotechnology发表论文,报告了在亚微米尺度上连接这些不同电子态的电子器件。具体来说,约瑟夫逊结和量子点收缩完全是在石墨烯双层内完成,通过使用附近的栅极来改变局部电荷密度。同时,不同电子态之间的边界完全是通过静电场确定的,而不是通过不同材料的界面。此外,当使用一组固定的栅极时,原则上可以在不同的器件类型之间切换。

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第一作者:Daniel Rodan-Legrain, 曹原, Jeong Min Park
通讯作者:Daniel Rodan-Legrain,曹原,Pablo Jarillo-Herrero.
通讯单位:麻省理工学院

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第一作者:Folkert K. de Vries
通讯作者:Folkert K. de Vries,Peter Rickhaus.
通讯单位:苏黎世联邦理工学院


突破点
扭曲的魔角石墨烯只使用电场门控就可以在单一的晶体材料中实现约瑟夫逊结和单电子晶体管,从而避免了不同材料之间的界面。

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在实际应用中,静电门控对几乎满带或空带的均匀系统的影响是受到限制的。要占据或耗尽整个电子带,就必须按晶体周期单胞的要求,在每几个原子中添加或移除一个电子。然而,场效应晶体管只能通过大约每1,000个原子一个电子来调节局部电荷密度,这受电极之间电介质物质的击穿场的限制。对于魔角石墨烯这样的超晶格结构而言,大面积的moiré单胞包含约10,000个原子,比传统石墨烯的单胞大得多。所诱导的微带在每个moiré单胞中均包含一个电子。如此一来,标准场效应控制就足以在每个超级单胞中添加或移除几个电子,并完全改变微带占用率及其相应的电子顺序。

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图1器件A的结构和电子输运特性。

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图2平面二维和块体约瑟夫逊结的比较。

为了在魔角石墨烯中构造器件,研究者在石墨烯层的上方和下方均设计了电极,并通过控制局部电荷掺杂来诱导所需的基态模式。通过诱导由一个短的、非超导弱链分开的超导区域,两个研究小组能够通过纯静电界面创造平面约瑟夫森结。连接不同相的超导储层的约瑟夫逊结是超导量子干涉装置(SQUID)磁强计、超导数字电子学、约瑟夫森电压标准和超导量子位等技术的基础。

麻省理工学院的Daniel Rodan-Legrain,曹原,Pablo Jarillo-Herrero等人使用略有不同的电极图案,还通过隧道势垒将魔角石墨烯的导电区域连接到超导区域。通过这种设计,能够通过测量穿越隧道势垒的未成对电子流来对超导区域中的态进行光谱分析。他们的结果证实了在超导状态下存在能隙,但是还不能揭示超导体对的对称性。探索魔角石墨烯中超导的起源和性质仍然是当前领域的一个重要挑战。除了超导器件外,研究者还在魔角石墨烯中构建了单电子晶体管。他们通过短的绝缘层将导电岛与相邻的导电区域隔开。在温度极低,岛足够小,并且隧道势垒不透明的情况下,成功使岛上的电子数量平均波动少于一个。在这些条件下,实现了一次一个电子的电流流过导电岛,从而通过改变岛上的电势来接通和关断。

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图3魔角扭曲双层石墨烯约瑟夫逊结的非局部性和可调性。

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图4魔角扭曲双层石墨烯超导间隙的边缘隧穿谱

研究展望
1、制造仅包含几个电子的更小导电岛:用以研究魔角石墨烯的电子基态。
2、制备更大尺寸均匀的魔角石墨烯:在大约1微米的距离内可以足够均匀,如果可以增加此尺寸,则可能会出现更复杂的电路并按比例放大。


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图5在魔角扭曲双层石墨烯中构建单电子晶体管。

参考文献
1、Prance, J.R., Ben Shalom, M. Building devices in magic-angle graphene. Nat. Nanotechnol. (2021).
DOI:10.1038/s41565-021-00913-4
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00913-4
2、Rodan-Legrain, D., Cao, Y., Park, J.M. et al. Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices. Nat. Nanotechnol. (2021).
DOI: 10.1038/s41565-021-00894-4
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00894-4
3、de Vries, F.K., Portolés, E., Zheng, G. et al. Gate-defined Josephson junctions in magic-angle twisted bilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2021).
DOI: 10.1038/s41565-021-00896-2
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00896-2



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