科普專欄 / Information

哥倫比亞大學Nature子刊:低無序半導體人造石墨烯中的多體效應

【引言】

多體效應在低維電子係統中發揮著重要作用,並且由於其與蜂窩拓撲結構之間相互作用而使其在石墨烯物理領域引起了極大的關注。雖然石墨烯中相互作用的理論處理通常假定係統均為清潔且可控的,但這些先決條件難以在天然材料中得到滿足。石墨烯中的二維(2D)鞍點激子(從M點處的鞍點奇點紅移)具有顯著的多體效應,但它們的光學響應遠低於器件應用的相關能量範圍。人造石墨烯(AG)是一種用於模擬2D晶體物理中量子行為的可控平台,其所具有可調蜂窩晶格的AG係統適用於探索類石墨烯帶結構中多體效應的量子條件。然而,目前固態AG中的電子-電子相互作用還未見報到,尤其是GaAs基的AG,主要是難以實現觀察這種效應的低無序性條件。

近日,哥倫比亞大學的Lingjie Du(通訊作者)等人在著名期刊Nature Communications上發表題為“Emerging many-body effects in semiconductor artificial graphene with low disorder”的研究論文,文中報道了在高遷移率的GaAs量子阱(QW)上實現了低無序半導體AG。研究人員製備出了小周期三角形的反點晶格,用以顯著抑製加工擾動對電子的影響,從而在所生長的QWs上保持了高質量狀態。這一成就使觀察到受交換庫侖相互作用的集體鞍點自旋激子成為可能,所觀察到的庫侖交換相互作用能量與M點處狄拉克帶的能隙相當,這表明準粒子相互作用與AG勢能之間的相互影響。在低無序的AG晶格中觀察集體鞍點自旋激子以及所出現的相對大的庫侖相互作用都表明在AG中是以電子-電子相互作用效應為主導的體係,這就可以探索一些在石墨烯中無法得到的多體效應。

圖一 三角形反點晶格中的低無序人造石墨烯

(a)在GaAs量子阱上刻印的帶有周期b的三角形反點晶格示意圖,白色圓圈代表半徑為r的刻蝕反點,黑色和灰色區域代表未刻蝕區域,黑色圓圈表示以周期a=b/√3的蜂窩圖案排列的有效點,在評估AG帶結構中,我們在單顆粒近似中使用具有費米能量的丸盒勢(紅色虛線),V0是刻蝕區域的潛在深度,每個反點都會產生一個有效的排斥勢V0

(b)在三角形反點晶格中計算的電子密度,其中V0=6 meV、b=70 nm、a=40.4 nm以及r=20 nm,黃色箭頭強調了在最鄰近點之間的強化電子耦合,顏色條表示電子密度

(c)b中帶參數AG的兩個最低狄拉克帶,EM表示M點附近的帶隙值

圖二 在三角形反點晶格中製備的人造石墨烯

(a)Zep 520抗蝕劑通過電子束暴露在80 kV的加速電壓下,之後,抗蝕劑演化成三角形反點圖案

(b)帶有圖案的抗蝕劑通過電子泛光暴露在3 kV加速電壓下,用以增強抗蝕劑的化學穩定性

(c)將BCl3基幹刻蝕劑以深度控製的方法將圖案轉移到襯底上

(d)除去殘餘的抗蝕劑後的最終器件,QW位於表麵下方80 nm處和Si的δ摻雜層的30 nm處,所生長的電子密度是2.1×1011 cm-2,費米能級是7.5 meV,低溫遷移率是106 cm2 V-1 s-1

(e)在0°傾斜(上麵板,俯視圖)和40°傾斜(底麵板,側視圖)中具有不同周期的AG晶格的掃描電鏡圖片,所有麵板上的黃色標尺為50 nm

(f)AG樣品I(入射光子能量為1554.36 meV,藍色標識)的子帶間激發的RILS光譜與所生長的GaAs QW的子帶間激發(入射光子能量為1550.92 meV,黑色標識)之間的比較,對於不同的入射光子能量,樣品I的子帶間激發的峰寬幾乎是恒定的,光譜是在5 K時在交叉極化下拍攝的

圖三 三角形反點結構中低無序AG的狄拉克帶激發

(a)AG計算的能帶與樣品I的狄拉克躍遷圖,用不同顏色表示不同環境中的躍遷

(b)最低的曲線是a中躍遷的聯合態密度(JDOS),顏色區域表明不同環境下的躍遷,紅色標識是高斯擴展下的JDOS,寬度為γ=0.1 meV(其中,選擇的γ以適合接近EM的光譜線形狀),頂部的黃色跡線是樣品I中狄拉克帶激發的RILS光譜,其入射光子能量ħωi為1522.88 meV

(c)狄拉克帶激發的RILS光譜,除去了非RILS的背景,垂直虛線表示EM和EX的位置,插圖顯示了EM和EX的電平圖,在這個插圖中,黑色圓圈是c00帶的空穴,紅色圓圈是c01帶的電子

(d)頂部表示RILS光譜,ħωi為1523.06 meV,JDOS(紅色虛線,γ=0.1 meV)與由單粒子激發所引起的散射強度成正比,底部:上方的跡線表示減除單粒子JDOS強度後的光譜,其中ħωi為1523.06 meV(紫色),1523.01 meV(藍色)和1522.97 meV(綠色),示意圖顯示了M點處的自旋激子能和帶隙能,由於朗道阻尼,自旋激子模型寬度增加

圖四 在子帶間激發中探測庫侖交換能

(a)表示在子帶間自旋密度激發(SDE)的RILS的光躍遷,在具有入射光子能量ħωi的躍遷中,入射光子將一個電子從價帶(VB)上激發到c11/c10態上,在價帶上留下一個空穴;在具有散射光子能量ħωs的躍遷中,c10/c00態上的電子會與空穴重新複合,而發出散射光子;入射光子能量ħωi與散射光子能量ħωs通過能量守恒E=ħωi – ħωs相關聯,這裏的E是所研究的AG激發能,在SDE中,電子從較低填充的AG子帶激發到下一個較高子帶而不改變AG帶索引,紅(黑)線在較高(較低)ħωi下通過從c01和c11(從c00和c10)的自旋翻轉處理定義SDE激發電子態,當c01帶高於費米能級時,由於我們實驗是在有限的溫度下存在載流子的熱激發,因而它被填充

(b)RILS光譜的顏色圖是在溫度T=5 K具有交叉極化中所測量的ħωi的函數,顏色條表示散射光的強度,虛線所標識的c01→c10和c00→c11表示將子帶間躍遷與量子阱子帶和AG帶索引之間變化所結合的能量,標有E10的虛線表示量子阱子帶間距的位置,黃色虛線表示SDE的位置,存在與c01→c10和c00→c11躍遷重疊的弱光致發光以及SDE

(c)從(b)中提取的依賴於ħωi的交換能,垂直誤差棒代表從測量的光譜中測定E10和ESDE的估計不確定度

【小結】

文中所實現的低無序AG揭示了在狀態密度M點的奇點處存在集體太赫茲鞍點自旋激子。低無序AG是一種可用於研究類石墨烯物理的高度可調的凝聚態係統,其中電子相互作用與AG晶格的六方拓撲態之間的相互作用占主導地位。該研究發現可能為研究凝聚態係統中強相關量子態(鐵電性和非傳統超導性)開辟了新的方法,擴展了量子模擬的工具箱。鑒於鞍點激子處於太赫茲範圍並受可調參數的影響,低無序AG可為光電器件應用提供一種半導體平台。

文獻連接:Emerging many-body effects in semiconductor artificial graphene with low disorder(Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05775-4)

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