南科大俞大鹏&北大廖志敏Adv. Mater.：2D-3D狄克拉半金属异质结

【引言】

石墨烯是一种二维狄拉克材料，通过表/界面工程构筑范德瓦尔斯异质结可以有效地调制材料的性能。三维狄拉克半金属在三个动量方向都具有线性能带色散关系，通过破坏时间反演对称性或空间反演对称性，可以转化为Weyl半金属。Weyl半金属的一个重要特征是手性反常效应，在电场与磁场平行的情况下，手征电荷转移产生负磁电阻效应。3D狄拉克或Weyl半金属的另一个标志是具有费米弧形状的拓扑表面态，并已经被角分辨光电子能谱和Weyl轨道相关的量子振荡实验所证实。

【成果简介】

近日，来自南方科技大学俞大鹏与北京大学廖志敏（通讯作者）的团队在Adv. Mater.上发表了题为Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd₃As₂ on 2D Graphene的文章。该团队通过直接堆叠制备了石墨烯-Cd₃As₂异质结。电子态耦合导致显著的层间电荷转移，通过Cd₃As₂的堆叠能有效调节石墨烯的费米能级，并实现了石墨烯平面p-n-p结，展示出量子化的电导平台。此外，与裸石墨烯器件相比，石墨烯/Cd₃As₂混合器件呈现出很大的非局域（non-local）信号，这是由于Cd₃As₂中自旋极化表面态转移到石墨烯中所导致的自旋极化的电子输运。该结果丰富了范德华异质结家族，将激发更多的关于狄克拉半金属在自旋电子学中应用的研究。南方科技大学博士后吴燕飞是本研究的第一作者。

【图文导读】

图1：石墨烯/ Cd₃As₂异质结的表征

(a): 典型的Cd₃As₂纳米片的HRTEM图；

(b): 石墨烯/Cd₃As₂异质结器件的示意图；

(c): 典型石墨烯/Cd₃As₂异质结器件的SEM图；

(d): 石墨烯/Cd₃As₂异质结的纵向电阻率的温度依赖特性。

图2：零磁场下异质界面的电荷转移

(a): Rxx的转移曲线；

(b): R_L的转移曲线；

(c):未覆盖的石墨烯和Cd₃As₂覆盖的石墨烯的能带图；

(d):石墨烯/Cd₃As₂异质结的能带示意图。

图3：石墨烯/Cd₃As₂异质结量子化电导

(a): 在不同磁场下，两端电导随栅极电压的变化关系；

(b): 在-14 T磁场下，两端电导随栅极电压的变化关系；

(c): 随着Vg从负值向正值扫描，体系经历三种状态：p+-p –p+，p-n-p，n-n⁺-n，并显示电导平台的变化。

图4：在平面内磁场下的局域和非局域电子输运

(a): 零磁场及不同温度下，非局域电阻随栅极电压变化关系；

(b): 不同平面内磁场下， R_L随栅极电压变化关系；

(c): 温度1.4 K及不同平面内磁场下，非局域电阻R_NL随栅极电压变化关系；

(d): 在狄克拉点处的R_NL随磁场依赖特性。

【小结】

该团队制备了石墨烯-Cd₃As₂异质结，并通过局域和非局域测量研究了它们的量子输运特性。这种石墨烯-Cd₃As₂异质结能够自然地形成石墨烯p-n-p结，并展现出两端电导的量子平台。此外，石墨烯-Cd₃As₂异质结在狄拉克点附近显示出大的非局域电阻，这表明自旋极化的载流子从Cd₃As₂注入到石墨烯。研究结果表明狄克拉半金属可以作为自旋极化的电荷源，并有望推进自旋电子学的研究。

文献链接：Dirac Semimetal Heterostructures: 3D Cd₃As₂ on 2D Graphene（Adv. Mater.2018, DOI: 10.1002/adma.201707547）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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