南科大俞大鹏&北大廖志敏Adv. Mater.:2D-3D狄克拉半金属异质结


【引言】

石墨烯是一种二维狄拉克材料,通过表/界面工程构筑范德瓦尔斯异质结可以有效地调制材料的性能。三维狄拉克半金属在三个动量方向都具有线性能带色散关系,通过破坏时间反演对称性或空间反演对称性,可以转化为Weyl半金属。Weyl半金属的一个重要特征是手性反常效应,在电场与磁场平行的情况下,手征电荷转移产生负磁电阻效应。3D狄拉克或Weyl半金属的另一个标志是具有费米弧形状的拓扑表面态,并已经被角分辨光电子能谱和Weyl轨道相关的量子振荡实验所证实。

【成果简介】

近日,来自南方滚球体育 大学俞大鹏与北京大学廖志敏(通讯作者)的团队在Adv. Mater.上发表了题为Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd3As2on 2D Graphene的文章。该团队通过直接堆叠制备了石墨烯-Cd3As2异质结。电子态耦合导致显著的层间电荷转移,通过Cd3As2的堆叠能有效调节石墨烯的费米能级,并实现了石墨烯平面p-n-p结,展示出量子化的电导平台。此外,与裸石墨烯器件相比,石墨烯/Cd3As2混合器件呈现出很大的非局域(non-local)信号,这是由于Cd3As2中自旋极化表面态转移到石墨烯中所导致的自旋极化的电子输运。该结果丰富了范德华异质结家族,将激发更多的关于狄克拉半金属在自旋电子学中应用的研究。南方滚球体育 大学博士后吴燕飞是本研究的第一作者。

【图文导读】

1:石墨烯/ Cd3As2异质结的表征

(a): 典型的Cd3As2纳米片的HRTEM图;

(b): 石墨烯/Cd3As2异质结器件的示意图;

(c): 典型石墨烯/Cd3As2异质结器件的SEM图;

(d): 石墨烯/Cd3As2异质结的纵向电阻率的温度依赖特性。

2:零磁场下异质界面的电荷转移

(a): Rxx的转移曲线;

(b): RL的转移曲线;

(c):未覆盖的石墨烯和Cd3As2覆盖的石墨烯的能带图;

(d):石墨烯/Cd3As2异质结的能带示意图。

3:石墨烯/Cd3As2异质结量子化电导

(a): 在不同磁场下,两端电导随栅极电压的变化关系;

(b): 在-14 T磁场下,两端电导随栅极电压的变化关系;

(c): 随着Vg从负值向正值扫描,体系经历三种状态:p+-p –p+,p-n-p,n-n+-n,并显示电导平台的变化。

4:在平面内磁场下的局域和非局域电子输运

(a): 零磁场及不同温度下,非局域电阻随栅极电压变化关系;

(b): 不同平面内磁场下, RL随栅极电压变化关系;

(c): 温度1.4 K及不同平面内磁场下,非局域电阻RNL随栅极电压变化关系;

(d): 在狄克拉点处的RNL随磁场依赖特性。

【小结】

该团队制备了石墨烯-Cd3As2异质结,并通过局域和非局域测量研究了它们的量子输运特性。这种石墨烯-Cd3As2异质结能够自然地形成石墨烯p-n-p结,并展现出两端电导的量子平台。此外,石墨烯-Cd3As2异质结在狄拉克点附近显示出大的非局域电阻,这表明自旋极化的载流子从Cd3As2注入到石墨烯。研究结果表明狄克拉半金属可以作为自旋极化的电荷源,并有望推进自旋电子学的研究。

文献链接:Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd3As2on 2D Graphene(Adv. Mater.2018, DOI: 10.1002/adma.201707547)

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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