金屬原子吸附對石墨烯電子態影響的量子輸運研究

《金屬原子吸附對石墨烯電子態影響的量子輸運研究》是依託北京大學，由吳孝松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：金屬原子吸附對石墨烯電子態影響的量子輸運研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：吳孝松
• 項目類別：面上項目

項目摘要

由於石墨烯獨特的能帶結構，其中的電子滿足無質量狄拉克粒子特徵，因而電學性質是石墨烯最有特色的性質之一。經過近10年的研究，人們對其中電子的性質已經有了比較清楚的了解。儘管石墨烯表現出很多優異的電學性質，對於凝聚態物理中的幾個重要現象，如拓撲絕緣體和超導，卻沒有在石墨烯中實現。基於已有理論預言，本項目將利用具備原位蒸鍍能力的極低溫輸運測量平台，通過表面金屬原子修飾的辦法，調控石墨烯的性質。利用重金屬元素吸附，在石墨烯中引入自旋-軌道耦合，通過測量弱局域化、量子霍爾效應、自旋霍爾效應等現象，研究自旋-軌道耦合強度，尋找基於石墨烯的二維拓撲絕緣體，並研究其邊界態性質；利用過渡族元素吸附，在石墨烯中引入局域磁矩，並探索調控磁矩間的相互關聯作用，實現巨觀磁性；利用鹼金屬或鹼土金屬吸附產生的電荷轉移，大範圍改變費米能，從而調控電聲相互作用，研究相關的電子輸運過程，尋找基於石墨烯的二維超導體。

結題摘要

石墨烯具有諸多優異性質，但是其中的自旋軌道耦合非常弱，也不具備局域磁矩和磁有序，載流子濃度太低不利產生超導電性。在這個項目中，我們主要研究目標是如何通過原位表面原子修飾，在石墨烯中引入強自旋軌道耦合、載流子和局域磁矩相互作用、或者超高載流子濃度，最終實現基於石墨烯的二維拓撲絕緣體、二維磁有序、或者超導電性，並研究這些物態的性質。我們研究了銦、金、鉍、鈦、碲、硒、鐵、鈷、錳、鉻、鈣、鎂等元素原子對石墨烯的原位修飾，結果表明由於石墨烯面外方向的化學惰性，這些原子和石墨烯的相互作用很弱，難以有效地引入自旋軌道耦合和磁性。同時原子更容易形成團簇，對石墨烯的載流子摻雜作用出現飽和。而且，由於電荷轉移產生長程庫倫勢，導致短程勢被禁止，進一步削弱了可能的自旋軌道耦合和電子磁矩耦合。通過測量石墨烯中空位缺陷的散射作用，我們證明了長程庫倫勢對短程勢的禁止作用。由此，選擇電荷轉移弱的磁性有機分子修飾，在石墨烯中實現了載流子和局域磁矩之間的近藤耦合。針對孤立原子吸附對石墨烯影響弱的問題，我們提出通過對多層二維材料進行插層的方案。插層原子形成周期分布，在布拉格散射條件下，插層原子的作用形成相干疊加，在特定動量範圍對二維材料的能帶結構產生強烈影響。基於這一思路，我們在范德瓦爾斯層狀材料VS2的插層化合物V5S8薄層中實現了鐵磁有序，並藉助反常霍爾效應確定了起居里-外斯溫度和厚度的磁相圖。我們也研究了一些基於二維原子晶體的二維拓撲絕緣體材料,如ZrTe5和WTe2，的電輸運和熱電輸運性質。