本文關(guān)鍵詞： 低維物理 石墨烯 線性色散關(guān)系 反�；魻栃�(yīng) 量子反常霍爾效應(yīng) 近鄰效應(yīng) 等離激元 弱局域化 近場光學(xué)　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：固體的電子輸運行為一定程度上依賴于固體的維度,對于二維材料,比如硅基的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET),作為現(xiàn)代科技的基石,就利用了局限在硅半導(dǎo)體表面的電荷層的特性。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是二維電子系統(tǒng)獨特的現(xiàn)象,銅氧化物的高溫超導(dǎo)性也被認(rèn)為與材料的二維特性相關(guān)聯(lián)。每當(dāng)出現(xiàn)新奇的二維電子系統(tǒng),總會在凝聚態(tài)物理掀起研究熱潮。直到十幾年前,二維范例還僅僅包含空間限制在量子阱溝道層,半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),或者表面反型層中的電子氣。2004年情況發(fā)生了改變,人們發(fā)現(xiàn)可以從石墨塊材中提取出獨立的原子層。這種二維晶體盡管只有一個原子的厚度,卻可以穩(wěn)定的存在。這種材料叫做石墨烯,是本論文的主要研究對象。石墨烯是一個在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域快速發(fā)展的新星,這種嚴(yán)格的二維材料展現(xiàn)了特別高的晶體質(zhì)量和電學(xué)特性,盡管發(fā)展歷史并不長,石墨烯已經(jīng)匯聚了大量的新物理和潛在的應(yīng)用。一方面,由于石墨烯本身非平凡的電子能譜,石墨烯引領(lǐng)了相對論凝聚態(tài)物理的新范例,一些在高能物理很難看到的量子相對論現(xiàn)象,現(xiàn)在可以在石墨烯體系中獲得更便捷的研究。另一方面,石墨烯代表了新類型的單原子層材料,為低維物理基礎(chǔ)研究和應(yīng)用提供了新的體系平臺和路徑。本論文結(jié)構(gòu)安排如下:第一章,首先簡要介紹石墨烯的單原子層晶體結(jié)構(gòu),特有的線性色散關(guān)系和能帶結(jié)構(gòu)。隨后概述石墨烯在輸運方面的特性,包括它的雙極性調(diào)控,量子干涉效應(yīng),獨特的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng),并對反�；魻栃�(yīng)和量子反�；魻栃�(yīng)作簡要介紹。第二章,簡述樣品制備和低溫測量方法,包括石墨烯的剝離,轉(zhuǎn)移,表征過程,以及微納加工技術(shù)輔助制作石墨烯器件,然后對材料生長常用的激光分子束外延技術(shù)作說明,最后對低溫輸運測試使用的系統(tǒng)設(shè)備作簡介。第三章,我們通過功能襯底近鄰方式,引入和增強(qiáng)石墨烯的磁性,最終目的是實現(xiàn)石墨烯的量子反�；魻栃�(yīng)�；诒緦嶒炇矣幸欢ǖ腻i氧化物生長經(jīng)驗,首先選用磁性絕緣襯底Pr0.8Ca0.2MnO3,其上放置石墨烯,制作基本的霍爾器件。測量后我們發(fā)現(xiàn),以Pr0.8Ca0.2MnO3為介電層,柵壓很難調(diào)控載流子濃度。后來我們選用另一種磁性絕緣襯底LaMnO3,發(fā)現(xiàn)可以有效調(diào)節(jié)石墨烯的載流子濃度。同時,LaMnO3上石墨烯的霍爾電阻表現(xiàn)出非線性。這種霍爾電阻的非線性無法通過雙載流子模型擬合,尤其對于費米能級遠(yuǎn)離Dirac點的情況。進(jìn)一步,我們發(fā)現(xiàn)可以通過添加反�；魻栱椇芎玫財M合實驗數(shù)據(jù),反�；魻柕陌l(fā)現(xiàn)標(biāo)志著對石墨烯引入了長程鐵磁序。另外,磁阻最小值偏離零場,我們認(rèn)為可能是自旋軌道耦合增強(qiáng)的體現(xiàn)。第四章,研究石墨烯與等離激元復(fù)合體系的輸運。固體中不同準(zhǔn)粒子的相互作用導(dǎo)致了很多有趣的量子效應(yīng)的出現(xiàn),而對于集體等離激元激發(fā)如何影響電子的量子輸運到目前還沒有深刻認(rèn)知。實驗上我們使用金納米顆粒向近鄰石墨烯引入等離激元,首次證實當(dāng)電子-等離激元耦合引入時,石墨烯電子的量子相干特性有實質(zhì)上的增強(qiáng),對應(yīng)的量子相干長度幾乎是原來的三倍。進(jìn)一步我們提出了一個微觀模型解釋這一奇特的發(fā)現(xiàn),強(qiáng)調(diào)石墨烯等離激元在抑制電子-電子退相位中的關(guān)鍵作用。這一新奇的創(chuàng)新性的概念,即等離激元增強(qiáng)量子相干,為研究準(zhǔn)粒子間相互作用開辟了新的視野,有利于探索非平凡的量子現(xiàn)象。第五章,研究了石墨烯近鄰自旋軌道耦合的輸運特性和近場光學(xué)。我們選擇具有很強(qiáng)自旋軌道耦合的材料KTaO3作為襯底,期望可以通過近鄰效應(yīng)增強(qiáng)石墨烯的自旋軌道相互作用。首先使用輸運手段探測器件的非局域自旋霍爾效應(yīng),發(fā)現(xiàn)明顯高于歐姆貢獻(xiàn)的非局域信號,還沒有看到面內(nèi)場自旋進(jìn)動現(xiàn)象,無法確定是否來源于石墨烯自旋軌道耦合增強(qiáng),有待進(jìn)一步研究。另一方面,最近石墨烯的進(jìn)場光學(xué)研究逐漸興起,通過改變其襯底環(huán)境有望可以調(diào)控等離激元的激發(fā)和傳播�；诖宋覀兪褂媒鼒龉鈱W(xué)顯微鏡(SNOM)探測graphene/KTaO3體系的表面等離激元,得到的駐波圖樣明顯不同于一般氧化硅襯底上的石墨烯,發(fā)現(xiàn)激發(fā)的等離激元具有多模式特性,證實了邊緣激發(fā)模式的存在。
[Abstract]:Solid electronic transport behavior to a certain extent depends on the solid dimensions for the two-dimensional material, such as silicon metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), as the cornerstone of modern science and technology, characteristics on the use of limitations in the surface charge layer of silicon. The integer quantum Holzer effect and fractional quantum Holzer effect is a phenomenon unique two-dimensional electronic systems, high temperature superconductivity in copper oxides is also thought to be associated with the characteristics of two-dimensional materials. When a two-dimensional electron system of novel, always raised the research upsurge in condensed matter physics. Until a decade ago, two examples also contain only limited space in the quantum well channel layer, semiconductor heterojunction. Or the surface inversion layer electron gas.2004 changed, people found that can be extracted from the graphite block in atomic layer independent. This two-dimensional crystal as only One atom thickness can exist stably. This material is called graphene, is the main research object of this thesis. Graphene is a rapid development in material science and condensed matter physics field star, two-dimensional materials this strict show the crystal quality and electrical properties is particularly high, although the history is not long, graphene has brought together a large number of new physics and potential applications. On the one hand, because of the graphene nontrivial electron spectrum of graphene leads the new paradigm of relativistic condensed state physics, some in high energy physics difficult to see quantum relativistic phenomenon, can now get more convenient in the study graphene system. On the other hand, graphene represents a single atomic layer material of new type, provide a system platform and a new path for the research and application of low dimensional physical basis. This paper is organized as follows: first Chapter one briefly introduces the crystal structure of atomic layer graphene, linear dispersion relation and unique band structure. Then an overview of graphene on transport properties, including bipolar regulation, quantum interference effect, half integer quantum Holzer effect is unique, and gives a brief introduction to the anti Holzer effect and often quantum anomalous Holzer effect. In the second chapter, the sample preparation and temperature measuring method, stripping, including graphene transfer, process characterization, and micro nano processing technology made graphene devices and materials, laser molecular beam epitaxy growth commonly stated, at the end of the low temperature transportation system used for testing equipment introduction. In the third chapter, we introduce the way through the function of substrate and enhanced magnetic affinity, graphene, the ultimate aim is the quantum anomalous Holzer effect of graphene. Based on the laboratory have certain manganese oxide Growth experience, the first choice of magnetic Pr0.8Ca0.2MnO3 are arranged on the insulating substrate, graphene, making Holzer devices. After the measurement we found that using Pr0.8Ca0.2MnO3 as the dielectric layer, the gate voltage is difficult to control the carrier concentration. Then we use another magnetic insulating substrate LaMnO3, showed that the carrier concentration can effectively regulate the graphene. At the same time, Holzer resistance LaMnO3 graphene exhibits nonlinear. The nonlinear Holzer resistance cannot pass through the double carrier model, especially for the Fermi level from Dirac points. Further, I have found that by adding a anomalous Holzer well fit the experimental data, the anomalous Holzer found marks on the graphene is introduced the long-range ferromagnetic order. In addition, the minimum reluctance values deviate from the zero field, we think it might be the manifestation of enhanced spin orbit coupling. In the fourth chapter, research on graphene and plasma Polariton transport composite system. The interaction of different solid quasi particles led to the emergence of many interesting quantum effects, and for the collective plasmon excitation affects the electronic quantum transport is still not profound cognition. Experiment we use gold nanoparticles were introduced to near neighbor graphene plasmon yuan, for the first time that when the electron plasmon coupling is introduced, the quantum coherence properties of graphene electronics have increased substantially, the corresponding quantum coherence length is almost three times the original. Further we propose a microscopic model to explain this strange discovery, emphasizing the graphene plasmon in inhibition of electron electron back key role in phase. The concept of this novel innovation, namely plasmon enhanced quantum coherence, for the study of quasi particle interactions has opened up new horizons, to explore the nontrivial quantum current Like. The fifth chapter studied the transport properties of graphene nearest neighbor spin orbit coupling and near-field optics. We have strong spin orbit coupling material KTaO3 as substrate, the expectation can enhance the spin orbit interaction of graphene by neighbor effect. First use of transport in the detector of the nonlocal spin Holzer effect non local signal, found was significantly higher than that of ohmic contribution, have not seen the spin precession phenomenon, can not determine whether from graphene spin orbit coupling, needs further study. On the other hand, recent research approach optical graphene gradually rise, by changing the substrate environment is expected to be regulated from the excitation and propagation polaritons. Based on this we use the near-field optical microscope (SNOM) detection system of graphene/KTaO3 surface plasmon, the standing wave pattern is significantly different from the general The graphene on the silicon oxide substrate has been found to have multiple modes of excitation, which confirms the existence of the edge excitation mode.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O613.71

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本文編號：1505884