detectarea

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • Grafen cu trei straturi
  • Grafen monostrat
  • Dezvoltarea rezonanței spin
  • discuţie
  • metode
  • Probele de grafen
  • Configurație de măsurare
  • Mai multe detalii
  • Comentarii

obiecte

  • Fizică Aplicată
  • grafen
  • Spintronica

abstract

Purtătorii electronici din grafen arată o mobilitate ridicată a purtătorilor la temperatura camerei. Prin urmare, acest sistem este, în general, considerat a fi un potențial material electronic de mare viteză, bazat pe taxe, care completează sau înlocuiește siliciu. În același timp, proprietățile de filare ale grafenului indică capacitatea îmbunătățită a electronicii bazate pe rotație sau spintronică și calculul cuantic bazat pe rotație. Ca urmare, detectarea, caracterizarea și transportul rotirilor au devenit subiectul de interes pentru grafen. Prezentăm aici un studiu de transport fotosensibil cu microunde al grafenei monostrat și cu trei straturi, care dezvăluie un răspuns electric neașteptat de puternic indus de rezonanțele cu microunde și duble induse de microunde în rezistența unidirecțională. Rezultatele sugerează detectarea rezistenței rezonanței spin și oferă măsurarea factorului g, timpul de relaxare a rotației și decolteul degenerescenței subtrekeg la câmpul magnetic zero.

Gradul cuantic de rotație mecanică a libertății găsește aplicații remarcabile în domeniul calculului cuantic (QC) și al electronicii bazate pe tehnologia spin (spintronics) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. De exemplu, în scenariile QC, rotirea particulelor servește adesea ca bit cuantic sau qubit 1, 2, 3, 4, 5, 6. În spintronică, filarea este utilizată pentru a echipa dispozitivele electronice cu funcționalități noi, cum ar fi într-un imens cap de citire magnetorezistiv sau tranzistor de rotire 7, 8. Grafenul este un nou sistem bidimensional cu proprietăți remarcabile, cum ar fi fermionii Dirac fără carne, faza anormală a Berry, pseudo-spin (degenerare în vale), în plus față de spin și efectele Hall cuantice pe jumătate integrale 9, 10, 11, 12. Grafenul este, de asemenea, un material atractiv pentru QC și spintronică 1, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15 datorită interacțiunii slabe așteptate dintre centrifugare și orbită și lipsei de centrifugi nucleare în cărbune natural. Datorită QC și spintronics, controlul microundelor și detectarea electrică a rotirilor au devenit acum subiectul de interes în domeniul nanostructurilor de grafen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, unde un număr mic de rotiri limitează utilitatea rezonanței tradiționale de rotire.

Prezentăm prima observație a rezistenței la rezonanța spinului în grafenul epitaxial (EG) 9, 18, 19, oferim măsurători ale factorului g și timpul de relaxare al centrifugării și determinăm clivajul pseudo-spinului (degenerescența de vale) la zero magnetic camp. O astfel de detectare a rezonanței rezistive poate servi la caracterizarea directă a proprietăților de spin ale fermonilor Dirac și poate ajuta, de asemenea, la determinarea și reglarea clivajului în degenerescența de vale pentru QC 15 bazat pe spin.

Rezultatul

Grafen cu trei straturi

Figura 1a prezintă rezistența diagonală, Rxx, împotriva câmpului magnetic, B, pentru eșantionul EG cu trei straturi, eșantionul 1. Curba albastră obținută la T = 1,5 K în eșantionul 1 arată vârful în Rxx în apropierea câmpului magnetic zero care există o localizare slabă (WL) 20, 21, 22, urmată de o magneto-rezistență pozitivă la B> 0,2 T. În Figura 1a, o creștere a T duce la T = 90 K pe curba roșie, care conține un pozitiv deplasarea pistei Rxx împotriva B față de pista T = 1, 5 K, adică dRxx/dT> 0 la B = 0 T, împreună cu WL de răcire. Deoarece WL nu poate fi observat fără împrăștiere între văi în grafen 22 cu un singur strat sau cu dublu strat, se presupune că WL observat este un indicator al unui element de matrice diferit de zero între văi.

( A ) Rezistența diagonală R xx este prezentată împotriva câmpului magnetic, B, la temperaturi T = 90 K, afișate în roșu și T = 1,5 K, afișate în albastru, pentru proba 1, în stare întunecată, fără excitație cu microunde . Creșterea ascendentă a curbei T = 90 K față de curba T = 1,5 K indică faptul că Rxx crește cu temperatura, adică dRxx/dT ≥0. ( b ) R x x versus B în absența excitației cu microunde este prezentat în albastru și sub o constantă F = 48 GHz excitația cu microunde la P = 4 mW este prezentată în roșu pentru proba 1. roșu arată o deplasare uniformă în sus față de curba întunecată Rxx prezentată în albastru pentru B 1 T Rxx arată văi de rezistență pe măsură ce curba fotocitată se apropie de curba întunecată, similar cu o scădere a temperaturii. Pentru a evidenția rezonanțele asociate, există o schimbare a rezistenței diagonale, Rxx = Rxx (4 mW) - Rxx (întuneric) față de B în Figura 1c. Figura 1c prezintă două caracteristici remarcabile: rezonanță ridicată a câmpului magnetic la | B | = 1,75 T și semnul câmpului magnetic scăzut la | B | = 1, 4 T. Aceste rezonanțe au dispărut când temperatura băii a crescut la T> 5 K.

Grafen monostrat

Figura 2a-c prezintă rezultatele pentru eșantionul 2, în timp ce figura 2d-f prezintă date reprezentative pentru eșantionul 3. Atât eșantionul 2, cât și eșantionul 3 sunt eșantioane EG cu un singur strat. Dependența de T a lui Rxx la B = 0 T este prezentată în Figura 2a pentru probele 2 și respectiv 3. Spre deosebire de eșantionul 1, eșantioanele 2 și 3 arată o scădere a Rxx (B = 0) odată cu creșterea temperaturii, adică dRxx/dT

Panouri A - c arată câteva rezultate pentru eșantionul 2, în timp ce imaginile d, f să reprezinte date reprezentative pentru eșantionul 3. ( A ) Eșantionul 2 arată o scădere a rezistenței Rxx odată cu creșterea temperaturii T, adică dRxx/dT. ≤0, în absența unui câmp magnetic, adică B = 0 T. ( b ) Urmele datelor arată o deplasare descendentă cu creșterea puterii cuptorului cu microunde, P la F = 18 GHz, indicând încălzirea indusă de microunde a purtătorului din probă. Rxx la B = 0 T obținute din aceste piese au fost marcate ca cercuri umplute pe panou A de mai sus, care arată dependența de T Rxx. P = 10 mW pare să mărească temperatura purtătorului până la T = 32 K în eșantionul 2. Rezonanțele induse de microunde apar în apropierea liniilor punctate cu creșterea P. ( c ) este afișat Δ R xx = R xx (10 mW) - R xx (întunecat) față de câmpul magnetic pentru eșantion 2. Observați modificarea Δ R xx datorită rezonanței de rotire în apropierea liniilor punctate la B = ± 0,66 și ± 0, 27 T. ( d ) Proba 3 arată, de asemenea, o scădere a rezistenței Rxx cu creșterea temperaturii T, adică dRxx/dT

( A - e ) În eșantionul 1, modificarea foto-indusă a rezistenței diagonale Δ R xx de la versiunea B pentru ( A ) 17 GHz, ( b ) 22 GHz, ( c ) 28 GHz, ( d ) 42 GHz a ( e ) 48 GHz. Rețineți deplasarea uniformă a rezonanțelor, indicată de linia întreruptă, la B mai mare cu creșterea F. Rezonanțele de aici sunt caracterizate de Axxx minime. ( f - h ): În eșantionul 2, schimbarea rezistenței diagonale Δ R xx indusă de fotografie versus B pentru ( f ) 17 GHz, ( g ) 19 GHz a ( h ) 21 GHz. Rețineți schimbarea rezonanțelor, indicată de linia punctată, la un B mai mare cu creșterea F. Rezonanțele de aici sunt caracterizate de rezistență maximă. ( eu, j ) În eșantionul 3, schimbarea rezistenței diagonale Δ Rxx indusă de fotografie versus B pentru ( eu ) 17 GHz a ( j ) 21 GHz. Observați schimbarea rezonanțelor, indicată de linia întreruptă, la un B mai mare cu creșterea F.

Imagine la dimensiune completă

Figura 4a este un grafic al frecvenței microundelor F față de câmpurile magnetice rezonante, B, extrase din Figura 3. Figura 4a arată că valorile rezonanței B pentru cele trei probe se prăbușesc în două linii: linia aurie din Figura 1. Figura 4a, care reprezintă rezonanțele de rezonanță B ridicate din Figura 3, arată o creștere liniară ca F (GHz) = 27, 2 B (T), cu coordonatele la început. Următoarea linie arătată în violet în Figura 4a, care reprezintă rezonanțele low-B din Figura 3, arată o creștere liniară ca F (GHz) = 10, 76 + 26, 9 B (T) cu o intersecție diferită de zero, F 0 = 10, 76 GHz. Într-un astfel de grafic, ar urma rezonanța de spin pentru un electron cu factor g g = 2,0023: F (GHz) = 28,01 B (T). Gradienții observați, dF/d B = 26,9 ± 0,4 GHz T'1 (dF/d B = 27,2 ± 2,2 GHz T1) pentru rezonanța câmpului scăzut (înalt) corespund rezonanțelor de spin sg // = 1, 92 ± 0, 028 ( g // = 1, 94 ± 0, 014).

Imagine la dimensiune completă

discuţie

Factorii gf măsurați aici sunt comparabili cu valorile g obținute din studiile ESR tradiționale pe grafit, care sugerează că factorul g pentru

c-axa, crește de la 2,05 la 300 K la 2, 15 la 77 K, în timp ce la T = 300 K factorul g este

Observarea unor rezonanțe duble similare în monostraturi și grafene cu trei straturi poate fi văzută ca o consecință a stivuirii straturilor rotative (non-AB) în EG, permițând chiar și EG multistrat să prezinte aceleași proprietăți electronice ca și grafenul izolat 18. De remarcat, de asemenea, că este cunoscut faptul că la B ridicat în grafen 40, 41, 42, apare sub-rețea sau pseudo-spin degenerescență. De exemplu, progresia efectului Hall cuantic de la secvența R xy = [4 (N +1/2)] -1 h/e2 10, 11, 43, până la observația σ xy crește în trepte de e 2/h . (ref. 40), reflectă creșterea degenerării atât a spinului, cât și a pseudo-spinului. În plus, scindarea neliniară cu degenerare a văii a fost observată dintr-un studiu de spectroscopie cu tunel de scanare 42. În cele din urmă, manifestarea WL, care este observabilă în FIG. 1 și 2, un indicator de legare inter-frecvență în aceste eșantioane 22. Deoarece distribuția rețelei subtil nu este neașteptată din cauza celor de mai sus, F0 observat = 10,76 GHz este atribuit pseudospinului (degenerescență sub rețea) câmpului magnetic zero de diviziune AB = hFo = 44, 4 μeV.

O interpretare provizorie a graficului F versus B din Figura 4a este prezentată în Figura 4b. Stările proprii chirale și dispersia liniară a undelor de energie caracterizează purtătorii în grafen. Aplicarea câmpului B produce în mod nominal niveluri Landau cvadruple, inferioare și degenerate prin rotire caracterizate prin E N = ± ν F (2 eħBN) 1/2, unde N = 0, 1, 2

, e este sarcina electronică, ν F este viteza Fermi și ħ este constanta redusă a lui Planck.

Să presupunem că degenerescența cvadruplă este crescută hF 0 chiar la B = 0 pentru a forma dublete de energie ca E N '= E N ± hF 0/2. Apoi, datorită efectului Zeeman, nivelurile Landau atribuite arată o distribuție suplimentară a degenerescenței spinului ca E N ″ = E N '± gμB/2. Tranzițiile observate induse de microunde apar în cel mai înalt nivel Landau ocupat în apropierea nivelului Fermi. Ca EN >> hF 0/2 și gμB/2, eliminăm termenul EN și graficul E/h = (E N ″ - E N)/h din Figura 4b.

Aici, excitația de microunde induce tranziții spin-flip, reprezentate de aur, de purtători nepereche între nivelurile de rotație ale dubletului inferior sau superior. Astfel de tranziții necesită energie fotonică de dispariție în punctul de fuga B. În schimb, tranziția între nivelul de centrifugare inferior („sus”) al dubletului inferior și nivelul de centrifugare superior („jos”) al dubletului superior necesită energie suplimentară hF 0 și o astfel de tranziție, prezentată în violet, arată - energia de suprafață a fotonului în limita B → 0. Astfel se pare că graficul F versus B este în concordanță cu rezonanța de spin și pseudo-spin (degenerescența de vale) cu câmp zero, care împarte rezonanța sporită a spinului.

În rezumat, am efectuat detectarea rezistenței rezonanței spin în EG, am furnizat măsurători ale factorului g și timpului de relaxare în rotiri și am identificat - și măsurat - pseudo-spin (degenerescență de vale) care s-a clivat în absența unui câmp magnetic. luncă. O astfel de detectare a rezonanței rezistive poate servi la caracterizarea directă a proprietăților de spin ale fermonilor Dirac și poate ajuta, de asemenea, la determinarea - și reglarea - distribuției degenerării de vale pentru QC-uri bazate pe spin.

metode

Probele de grafen

EG a fost efectuat prin descompunerea termică a carburii de siliciu 4H (SiC) izolatoare 18. Probele EG au fost caracterizate prin elipsometrie și grosimea stratului extras a fost convertită într-un număr de straturi la o rată de 0,335 nm per strat. Suprafața C a cipului EG/SiC a fost procesată prin litografie cu fascicul electronic pe o tijă Hall cu micrometru cu contacte Pd/Au. Măsurătorile sunt date aici pentru trei eșantioane de tije de hol etichetate 1, 2 și 3. Eșantionul 1 este grafen în trei straturi, în timp ce eșantioanele 2 și 3 sunt grafen cu un singur strat. Probele sunt de tip p cu concentrație de găuri, p1010 13 cm −2 și mobilitatea purtătorului μ ≈10 3 cm 2 V −1 s −1 .

Configurație de măsurare

Proba de la sala EG a fost în general montată la capătul unei secțiuni lungi drepte a unui ghid de undă dreptunghiular WR-62 dreptunghiular. Ghidul de undă al probei a fost introdus în orificiul solenoidului supraconductor, scufundat în heliu lichid pompat și iradiat cu microunde în intervalul de frecvență 10 44. Aici, un câmp magnetic extern orientat de-a lungul axelor solenoidului și ghidului de undă a fost aplicat atunci când declanșatorul antenei cuplate cu sonda din ghidul de undă a excitat modul electric transversal (TE-10). Astfel, câmpul electric cu microunde a fost orientat perpendicular pe câmpul magnetic extern aplicat. Liniile câmpului magnetic cu microunde au format bucle închise cu componente în direcția transversală și axială a ghidului de undă.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Mani, RG și colab. Observarea rezonanței de spin detectate prin rezistență și a scindării pseudo-spinului în câmp zero în grafen. Nat. Comun. 3: 996 doi: 10, 1038/ncomms1986 (2012).

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.