ellenállás

  • elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • az eredmény
  • Háromrétegű grafén
  • Egyrétegű grafén
  • A spin-rezonancia kialakulása
  • vita
  • mód
  • Grafénminták
  • Mérési konfiguráció
  • További részletek
  • Hozzászólások

elemeket

  • Alkalmazott fizika
  • grafén
  • Spintronics

absztrakt

A grafénben lévő elektronikus hordozók szobahőmérsékleten mutatják a hordozók nagy mobilitását. Ezt a rendszert ezért általában potenciális jövőbeni nagysebességű, díjalapú elektronikus anyagnak tekintik, amely kiegészíti vagy helyettesíti a szilíciumot. Ugyanakkor a grafén forgási tulajdonságai a forgásalapú elektronika vagy a spintronika és a forgásalapú kvantumszámítás jobb képességére utalnak. Ennek eredményeként a pörgések detektálása, jellemzése és szállítása a grafén iránti érdeklődés tárgyává vált. Itt mutatjuk be az egyrétegű és a háromrétegű grafén mikrohullámú fényérzékeny transzport vizsgálatát, amely váratlanul erős elektromos választ tár fel a mikrohullámú és kettős mikrohullámú indukálta rezonanciák által egyirányú ellenállásban. Az eredmények a spin-rezonancia rezisztív detektálását javasolják, és lehetővé teszik a g-faktor, a forgás relaxációs idejének és a szubtrekciós degeneráció hasításának mérését a nulla mágneses mezőnél.

A szabadság mechanikai forgatásának kvantumfoka figyelemre méltó alkalmazásokat talál az 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 spin technológián (spintronika) alapuló kvantumszámítás (QC) és elektronika területén. Például QC szcenáriókban a részecskék centrifugálása gyakran 1, 2, 3, 4, 5, 6 kvantumbittként vagy kvbitként szolgál. A spintronikában a fonást arra használják, hogy az elektronikus eszközöket új funkciókkal látják el, például egy hatalmas magnetorezisztens olvasófejben vagy a 7, 8 spin-tranzisztorokban. A grafén egy új kétdimenziós rendszer, olyan figyelemre méltó tulajdonságokkal, mint a hús nélküli Dirac-fermionok, anomális Berry-fázis, pszeudo-spin (völgyi degeneráció) a spin és a félig integrált kvantum Hall-effektusok mellett, 9, 10, 11, 12. A grafén a QC és a spintronics 1, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15 számára is vonzó anyag, mivel a spin és a pálya várható gyenge kölcsönhatása, valamint a természetes szénben előforduló nukleáris centrifugák hiánya miatt. A minőségellenőrzés és a spintronika miatt a mikrohullámú vezérlés és az centrifugák elektromos detektálása mára érdeklődés tárgyává vált az 1., 2., 3., 4., 5., 6., 7., 8., 9., 10., 11., 12. grafén nanostruktúrák területén, 13, 14, 15, 16, 17, ahol kis számú pörgetés korlátozza a hagyományos spin-rezonancia hasznosságát.

Bemutatjuk a spin-rezonancia-rezisztencia első megfigyelését az epitaxiális grafénban (EG) 9, 18, 19, megadjuk a g-faktor és a centrifugálás relaxációs idejének méréseit, és meghatározzuk a pszeudo-spin (völgyi degeneráció) hasadását nulla mágneses helyzetben terület. Az ellenálló rezonancia ilyen detektálása potenciálisan a Dirac fermonok spin-tulajdonságainak közvetlen jellemzésére szolgálhat, és segíthet a spin-alapú QC 15 völgydegenerációban történő hasításának meghatározásában és hangolásában.

az eredmény

Háromrétegű grafén

Az 1a. Ábra mutatja az Rxx átlós ellenállását a B mágneses mezővel szemben az 1. háromrétegű EG minta esetében. Az 1. mintában T = 1,5 K hőmérsékleten kapott kék görbe az Rxx csúcsát mutatja a nulla mágneses tér közelében. gyenge lokalizáció (WL) van 20, 21, 22, majd pozitív magneto-rezisztencia következik B> 0,2 T-nál. Az 1a. ábrán a T növekedése a vörös görbén T = 90 K-hoz vezet, amely pozitív Az Rxx pálya elmozdulása a B-vel szemben a T = 1, 5 K sávhoz képest, azaz dRxx/dT> 0 B = 0 T-nál, a WL hűtéssel együtt. Mivel a WL nem figyelhető meg a völgyek közötti szétszóródás nélkül az egyrétegű vagy a kétrétegű grafén 22-ben, feltételezzük, hogy a megfigyelt WL egy nem nulla mátrixelem mutatója a völgyek között.

( a ) Az R xx átlós ellenállást a B mágneses mezővel szemben mutatjuk be T = 90 K hőmérsékleten, piros színnel, T = 1,5 K pedig kék színnel, az 1. minta esetében sötétben, mikrohullámú gerjesztés nélkül. . A T = 90 K görbe felfelé irányuló emelkedése a T = 1,5 K görbéhez viszonyítva azt jelzi, hogy az Rxx növekszik a hőmérséklettel, azaz dRxx/dT ≥0. ( b ) Mikrohullámú gerjesztés hiányában az R x x B-vel szemben kék színnel jelenik meg, és az F = 48 GHz állandó mikrohullámú gerjesztés P = 4 mW mellett piros színnel jelenik meg az 1. minta esetében. A piros egyenletes felfelé tolódást mutat a sötét görbéhez viszonyítva. Az Rxx kék látható B 1 T esetén. Rxx ellenállási völgyeket mutat, amikor a fotocitált görbe megközelíti a sötét görbét, hasonlóan a hőmérséklet csökkenéséhez. A kapcsolódó rezonanciák kiemeléséhez az átlós ellenállás megváltozik, Rxx = Rxx (4 mW) - Rxx (sötét) szemben az 1c. Ábrán. Az 1c. Ábra két figyelemre méltó tulajdonságot mutat: nagy mágneses térrezonancia | B | = 1,75 T és az alacsony mágneses tér jele | B | = 1, 4 T. Ezek a rezonanciák eltűntek, amikor a fürdő hőmérséklete T> 5 K-ra emelkedett.

Egyrétegű grafén

A 2a-c. Ábra a 2. minta eredményeit mutatja, míg a 2d-f. Ábra a 3. minta reprezentatív adatait mutatja. A 2. és a 3. minta is egyrétegű EG-minta. Az Rxx T-függése B = 0 T-nél a 2a. Ábrán látható a 2., illetve a 3. mintánál. Az 1. mintával ellentétben a 2. és a 3. minta az Rxx (B = 0) csökkenését mutatja a hőmérséklet emelkedésével, azaz dRxx/dT

Panelek a - c mutat néhány eredményt a 2. mintához, míg a képek d, f képviselik a 3. minta reprezentatív adatait. a ) A 2. minta az Rxx ellenállás csökkenését mutatja a T hőmérséklet emelkedésével, azaz dRxx/dT. ≤0, mágneses tér hiányában, azaz B = 0 T. ( b ) Az adatok nyoma lefelé történő elmozdulást mutat a növekvő mikrohullámú teljesítmény mellett, P F = 18 GHz-nél, ami a mintában lévő vivőanyag mikrohullámú indukálta felmelegedését jelzi. Az ezekből a sávokból nyert Rxx B = 0 T értéknél kitöltött körökként jelöltük a panelen a fenti, amely T Rxx függőségét mutatja. Úgy tűnik, hogy P = 10 mW a hordozó hőmérsékletét T = 32 K-ig növeli a 2. mintában. A mikrohullámú indukálta rezonanciák a szaggatott vonalak közelében jelennek meg a P növekedésével. c ) látható a Δ R xx = R xx (10 mW) - R xx (sötét) versus mágneses mező a 2. mintához. Jegyezze fel a szaggatott vonalak közelében a spin rezonancia miatti Δ R xx változást B = ± 0,66 és ± 0, 27 értékre T. ( d ) A 3. minta szintén mutatja az Rxx ellenállás csökkenését a T hőmérséklet emelkedésével, azaz dRxx/dT

( a - e ) Az 1. mintában az Δ R xx átlós ellenállás fénykép által kiváltott változata a B verzióhoz képest ( a ) 17 GHz, ( b ) 22 GHz, ( c ) 28 GHz, ( d ) 42 GHz a ( e ) 48 GHz. Figyeljük meg a szaggatott vonallal jelölt rezonanciák egyenletes eltolódását a magasabb B értékre, növekvő F értékkel. Az itteni rezonanciákat Axxx minimumok jellemzik. ( f - h ): A 2. mintában a fénykép által kiváltott Δ R xx átlós ellenállás változása B-vel szemben ( f ) 17 GHz, ( g ) 19 GHz a ( h ) 21 GHz. Vegye figyelembe a szaggatott vonallal jelölt rezonanciák elmozdulását magasabb B értékre, növekvő F értékkel. Az itteni rezonanciákat ellenállási maximumok jellemzik. ( én, j ) A 3. mintában a fénykép által kiváltott Δ Rxx átlós ellenállás változása B-vel szemben ( én ) 17 GHz a ( j ) 21 GHz. Figyelje meg a szaggatott vonallal jelzett rezonanciák elmozdulását egy magasabb B-re, növekvő F-vel.

Teljes méretű kép

A 4a. Ábra az F mikrohullámú frekvencia és a B rezonáns mágneses mezők és a 3. ábra szerint kivont grafikonja. A 4a. Ábra azt mutatja, hogy a három minta B rezonanciaértékei két vonallá omlanak össze: az 1. ábra arany vonala. A 4a. Ábra, amely a 3. ábra magas B-rezonancia rezonanciáit mutatja, lineáris növekedést mutat F (GHz) = 27, 2 B (T) alakban, a koordinátákkal az elején. A következő, lila színű, a 4a. Ábrán látható vonal, amely a 3. ábra alacsony B rezonanciáját mutatja, lineáris növekedést mutat F (GHz) = 10, 76 + 26, 9 B (T) nulla nélküli kereszteződéssel, F 0 = 10, 76 GHz. Egy ilyen grafikonon a g e g = 2,0023: F (GHz) = 28,01 B (T) faktorral rendelkező elektron spin-rezonanciája következne. Megfigyelt gradiensek, dF/d B = 26,9 ± 0,4 GHz T'1 (dF/d B = 27,2 ± 2,2 GHz T1) alacsony (magas) mezőrezonancia esetén megfelelnek a spin rezonanciáknak sg // = 1, 92 ± 0, 028 ( g // = 1, 94 ± 0, 014).

Teljes méretű kép

vita

Az itt mért tényezők összehasonlíthatók a hagyományos grafikus ESR-vizsgálatokkal kapott g-értékekkel, amelyek arra utalnak, hogy a

A c-tengely, 2,05-ről 300 K-ra 2-re, 15-re 77 K-ra nő, míg T = 300 K-nál a g tényező

Az egyrétegű és a háromrétegű grafének hasonló kettős rezonanciájának megfigyelése a rotáló (nem AB) rétegek EG-ben történő egymásra rakásának következményeként tekinthető meg, lehetővé téve, hogy még a többrétegű EG-k is ugyanazokat az elektronikus tulajdonságokat mutassák, mint az izolált grafén 18. Megjegyezzük azt is, hogy ismert, hogy a 40, 41, 42 grafén magas B-szintjén részrácsos vagy ál-spin-degeneráció lép fel. Például a kvantum Hall-effektus progressziója az R xy = [4 (N +1/2)] -1 h/e2 10, 11, 43 szekvenciától a σ xy megfigyelésig e 2/h lépésekben növekszik . (40. hivatkozás) a spin és az ál-spin degeneráció emelkedését tükrözi. Ezen túlmenően, a pásztázó alagút-spektroszkópiás vizsgálat során 42 nem lineáris hasadást völgyi degenerációval figyeltek meg. Végül a WL megnyilvánulása, amely a 2. ábrán megfigyelhető. Az 1. és 2. ábra egy interfrekvenciás kötési mutató ezekben a mintákban 22. Mivel a szubtil-rács eloszlása ​​a fentiek miatt nem váratlan, a megfigyelt F0 = 10,76 GHz az AB osztás pszeudospin (rács alatti degeneráció) nulla mágneses mezőjének tulajdonítható = hFo = 44, 4 μeV.

A 4a. Ábra az F és B grafikon ideiglenes értelmezését mutatja a 4b. Ábra. Királis sajátállapotok és lineáris energiahullám-diszperzió jellemzi a hordozókat a grafénben. A B mező alkalmazása nominálisan négyszeres, alacsonyabb és spin-degenerált Landau-szintet eredményez, amelyet E N = ± ν F (2 eħBN) 1/2 jellemez, ahol N = 0, 1, 2

, e az elektron töltés, ν F a Fermi sebesség és ħ a redukált Planck állandója.

Tegyük fel, hogy a négyszeres degeneráció megemelkedik hF 0-nál, még B = 0-nál is, és így energiadubletteket képez, mivel E N '= E N ± hF 0/2. Ezután a Zeeman-effektus miatt a hozzárendelt Landau-szintek a spin-degeneráció további eloszlását mutatják, mint E N ″ = E N '± gμB/2. A megfigyelt mikrohullám által kiváltott átmenetek a Fermi-szint közelében lévő legmagasabb elfoglalt Landau-szinten belül jelentkeznek. Mivel EN >> hF 0/2 és gμB/2, eltávolítjuk az EN kifejezést és az E/h = (E N ″ - E N)/h grafikont a 4b ábrán.

A mikrohullámú fénysugárzás itt arannyal jelölt spin-flip átmeneteket indukál a párosítatlan hordozókon az alsó vagy a felső dublett forgási szintje között. Az ilyen átmenetek eltűnő fotonenergiát igényelnek a B eltűnési pontban. Ezzel szemben az alsó dublett alsó centrifugálási szintje ("fel") és a felső dublett magasabb centrifugálási szintje ("le") közötti átmenethez további hF 0 energia szükséges. és egy ilyen, lila színnel jelölt átmenet - a foton felületi energiáját mutatja a B → 0 határértékben. Tehát úgy tűnik, hogy az F grafikon B kontúr összhangban van a spin rezonanciával és az ál-spinnel (völgyi degeneráció), nulla mezővel, amely megosztja a megnövekedett spin-rezonanciát.

Összefoglalva: elvégeztük a spin-rezonancia rezisztencia-detektálását az EG-ben, megadtuk a g-faktor és a relaxációs idő mérését a forgásokban, és azonosítottuk - és mértük - a mágneses mező hiányában hasadó pszeudospin-t (völgyi degeneráció). rét. Az ellenálló rezonancia ilyen detektálása potenciálisan a Dirac fermonok spin-tulajdonságainak közvetlen jellemzésére szolgálhat, és segíthet a völgyi degeneráció eloszlásának meghatározásában - és hangolásában is - spin-alapú QC-k esetén.

mód

Grafénminták

Az EG-t a hőszigetelő 4H szilícium-karbid (SiC) 18 hőbontásával hajtottuk végre. Az EG mintákat ellipszometriával jellemeztük, és a kivont rétegvastagságot rétegekké alakítottuk át rétegenként 0,335 nm sebességgel. Az EG/SiC chip C-felületét e-gerenda litográfiával dolgoztuk fel mikrométeres Hall rúdon, Pd/Au érintkezőkkel. A méréseket itt adjuk meg az 1., 2. és 3. felirattal ellátott csarnokrúd három mintájára. Az 1. minta névlegesen háromrétegű grafén, míg a 2. és 3. minta egyrétegű grafén. A minták p típusúak, lyukkoncentrációval, p1010 13 cm −2 és hordozó mobilitással μ ≈10 3 cm 2 V −1 s −1 .

Mérési konfiguráció

Az EG csarnokból vett mintát általában egy téglalap alakú WR-62 téglalap alakú hullámvezető hosszú, egyenes szakaszának végére szerelték fel. A mintahullámvezetőt a szupravezető mágnesszelep lyukába helyeztük, a szivattyúzott folyékony héliumba merítettük és mikrohullámokkal besugároztuk a 10 44 frekvenciatartományban. Itt a mágnesszelep és a hullámvezető tengelye mentén orientált külső mágneses mezőt alkalmaztuk, amikor a hullámvezetőben lévő szondával összekapcsolt antennaindító gerjesztette a keresztirányú elektromos (TE-10) üzemmódot. Így a mikrohullámú elektromos mező merőleges volt az alkalmazott külső mágneses mezőre. A mikrohullámú mágneses mező vonalai zárt hurkokat képeztek a hullámvezető keresztirányú és tengelyirányú komponenseivel.

További részletek

Hogyan idézhetem ezt a cikket: Mani, RG és mtsai. A rezisztencia által detektált spin-rezonancia és a nullterű pszeudo-spin hasítás megfigyelése a grafénben. Nat. Commun. 3: 996 doi: 10, 1038/ncomms1986 (2012).

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.