2020-05-23 06:22:01
定向六方氮化硼助长新型信息载体

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当今的计算机使用有无电荷(0和1)来编码信息,而电荷的物理运动会消耗能量并产生热量。一种新颖的选择是利用电子的波量子数,通过该电子波量子数可以在不物理移动载流子的情况下进行信息编码。这项研究表明,通过控制不同二维材料的堆叠结构和方向,可以控制波量子数。

Valleytronics产生一个谷值电流,这是一个稳定的,无耗散的电流,该电流由伪磁场Berry曲率驱动。这反过来又使基于Valleytronics的信息处理和存储技术成为可能。贝里曲率出现的先决条件是反演对称性或时间反转对称性。因此,二维材料(例如过渡金属二硫化碳和门控双层石墨烯)因具有颠倒的反对称性而被广泛用于山谷电子学。

对于大多数与石墨烯和其他二维材料有关的研究,这些材料都用六方氮化硼(hBN)封装,六方氮化硼是一种宽带隙材料,具有与石墨烯相当的晶格参数。 hBN层封装可以保护石墨烯和其他二维材料免受杂散分子的有害吸附,同时保持其特性不变。与高度不均匀的SiO2不同,hBN还可以用作光滑的二维衬底,从而增加了石墨烯中载流子的迁移率。但是,大多数使用hBN封装的双层石墨烯的Valleytronics研究都没有考虑hBN层在破坏双层石墨烯的层对称性和诱导Berry曲率方面的作用。

因此,日本科学技术高等研究院的博士后Afsal Kareekunnan,高级讲师Manoharan Muruganathan和Hiroshi Mizuta教授认为,至关重要的是要考虑到hBN作为Valleytronics的基质和封装层的作用双层石墨烯。通过使用第一性原理计算,他们发现,对于hBN /双层石墨烯相称的异质结构,hBN层的构型和取向对极性以及Berry曲率的大小都有很大的影响。

对于未封装的hBN /双层石墨烯异质结构,其中hBN仅存在于底部,由于双层石墨烯两层所经历的电势差异,层对称性被破坏。该层不对称性导致非零的贝里曲率。但是,用hBN封装双层石墨烯(顶部和底部hBN彼此异相)使hBN的作用无效,并使系统趋于对称,从而降低了Berry曲率的大小。原始双层石墨烯的特征仍然是较小的贝里曲率,其中自发的电荷从谷底到层之一的自发转移导致层之间的轻微不对称,正如该小组先前报道的那样。

但是,用顶部和底部hBN彼此同相封装双层石墨烯可增强hBN的效果,从而导致层之间的不对称性增加以及Berry曲率变大。这是由于两层双层石墨烯从顶部和底部hBN所经历的不对称电位。该小组还发现,在上述所有情况下,都可以通过施加平面外电场来调整贝瑞曲率的大小和极性。

“我们相信,从理论和实验的角度来看,如此精确地分析将hBN用作石墨烯基器件的衬底和封装层的效果,都可以深入了解该系统,该系统具有很大的潜力。一种理想的谷电子产品。”水田教授说。

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