Science：弹道石墨烯P-N结处的电子光学现象

【引语】

因为弹道电子在均匀的二维电子气之中的表现和光相似，当电子穿过弹道半导体结的时候，会发生和自然环境中的光束穿过光学界面时相似的反射，这说明了可以通过器件像几何光学操纵光子一样来操控电子。由于石墨烯零带隙的能带结构，可以通过简单的栅极电调控形成高度透明的石墨烯P-N结，石墨烯极高的本征电子迁移率可以实现在室温下发生微米尺度的弹道传输，石墨烯也因此成为了研究固体中的电子光学的理想平台。

【成果简介】

美国哥伦比亚大学的Shaowen Chen，Zheng Han和Cory R. Dean（共同通讯作者）等提出使用横向电磁聚焦来研究载流子在石墨烯电调制石墨烯P-N结处的传播。经研究发现，电子在该界面处观察到的正反射和负反射均满足斯涅耳定律，此外，研究人员还利用P-N结处的共振透射直接测定电子反射角度与透射系数之间的关系。

【图文介绍】

图一 ：器件结构及电子反射原理

图a : 利用横向磁场来聚焦电子使其以不同的角度进入P-N结。电子回旋半径决定其入射角度。通过两个栅极电压控制电子入射界面处的不同密度，不同电子密度决定了不同的反射角度。

图b: 通过三个例子分别展示了不同的共振路径。

图c : 该分离栅器件的顶视图和截面图。

图二 ： 电子的斯涅耳定律

图a : 1.7K下，石墨栅极区域保持在一定的P型掺杂浓度时，P-N结的并联电阻值。

图b: a图中数据的模拟结果。

图c : P-P型结（顶部）和P-N型结（底部）的电子共振轨迹线。

图d : 从最低的谐振模式来绘制峰的位置和磁场B的图像，其中P-P和P-N数据点可以从A图得到。

图e : 从峰的位置计算得到斯涅耳定律的参数。

图f : 透射密度和入射角度之间的关系。

图三 ：Veselago 透镜仿真

图中展示了在不同P-N结宽度下透射概率的变化。图中插图分别展示了突变结和缓边结的模拟电子轨迹。理论上，由于负折射跨越P-N结的的发散电子会聚焦在一个等距点上，而缓边结中由于大多数电子被反射，因此不能观察到Veselago聚焦。

图四：温度依赖性

图a和b 分别展示了P-P型结和P-N型结的共振峰的高度在各种温度下与磁场之间的关系。图中可以观察到在温度为70K左右时，共振峰会几乎消失，在这个温度下石墨烯的自由程接近于器件的共振路径长度（≈7μm）。

【小结】

该文章最后将实验数据和模拟的结果进行比较，发现P-N结的有效宽度对结果起着重要的作用，这为未来的器件设计提供了一定的指导，实验的结果也为实现基于石墨烯P-N结的电子光学奠定了基础。

文献连接 ：Electron optics with p-n junctions in ballistic grapheme （Science，2016，DOI: 10.1126/science. aaf5481）

本文由材料人电子电工学术组徐瑞供稿，材料牛整理编辑。

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