石墨烯與第二類超導(dǎo)體及鐵磁絕緣體間的磁近鄰效應(yīng)研究.pdf

1、石墨烯是由單層碳原子基于sp2雜化組成的六角蜂巢結(jié)構(gòu)，是除了三維的金剛石、石墨和無定形碳，零維的富勒烯，以及一維的碳納米管之外，碳元素的二維同素異形體。石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)是分別由不等價(jià)的A位原子和B位原子單獨(dú)組成的兩套三角格子組成的復(fù)式格子，其中A位原子和B位原子之間具有空間反演對(duì)稱性，這使得石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中包含兩套能量上簡(jiǎn)并，但是并不等價(jià)的能谷（K和K'），從而石墨烯中的電子具有額外的能谷自由度;石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶在K和K'點(diǎn)接觸，從

2、而載流子可為空穴或電子;在靠近K和K'點(diǎn)，石墨烯的能帶色散關(guān)系是線性的，需要用狄拉克方程描述;電子的費(fèi)米速度vF=106m/s，展現(xiàn)出相對(duì)論效應(yīng)?？偟膩碚f，不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體二維電子氣，石墨烯是一種具有手性特征和相對(duì)論效應(yīng)的狄拉克半金屬。從而，石墨烯中展現(xiàn)出了許多獨(dú)特的物理效應(yīng)，如雙極性輸運(yùn)、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和Klein隧穿等。
　　作為天然的二維材料，石墨烯因諸多優(yōu)異的電、光、力、熱性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，也有一些特征使

3、得石墨烯的應(yīng)用受到很大的限制，比如零能隙限制了其在場(chǎng)效應(yīng)管方面的應(yīng)用，沒有本征的自旋極化的電子限制了其在磁電子學(xué)上的應(yīng)用，極弱的本征自旋耦合限制了其在自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用等。因此，如何調(diào)控石墨烯的這些特征，是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。本論文基于這一目的，圍繞襯底和石墨烯間的近鄰效應(yīng)，研究了以二類超導(dǎo)體NbSe2薄片作為襯底，以及以鐵磁絕緣的EuS薄膜作為覆蓋層對(duì)石墨烯的電磁輸運(yùn)性質(zhì)的影響。本論文結(jié)構(gòu)安排如下:
　　第一章，首先簡(jiǎn)要介紹了石墨

4、烯的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和制備方法。隨后，簡(jiǎn)單介紹了石墨烯的一些基本電輸運(yùn)特性，以及和本論文相關(guān)的一些物理基礎(chǔ)。第二章，簡(jiǎn)述了樣品和器件的制備方法，以及器件的測(cè)量方法。主要包括二維材料的解理和定點(diǎn)轉(zhuǎn)移技術(shù)，微納加工技術(shù)，樣品表征技術(shù)以及器件測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法。
　　第三章，我們構(gòu)建了Graphene/Al2O3/NbSe2復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究了二類超導(dǎo)體NbSe2中的磁通渦旋線的動(dòng)力學(xué)過程對(duì)石墨烯的量子輸運(yùn)的影響。當(dāng)溫度低于NbSe2的超

5、導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，在低磁場(chǎng)范圍，在石墨烯的縱向電阻率隨磁場(chǎng)的變化曲線上，出現(xiàn)了非對(duì)稱的磁致電阻率平臺(tái)和磁滯行為。這一磁致電阻率平臺(tái)和磁滯回線，來源于單晶NbSe2薄片邊緣處的缺陷對(duì)磁通渦旋線的釘扎效應(yīng)。
　　第四章，我們制備了EuS/Graphene復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究了鐵磁絕緣體EuS對(duì)石墨烯電輸運(yùn)性質(zhì)的影響。通過改善器件制備技術(shù)，包括低溫(～80 K)下在石墨烯上沉積EuS，和采用對(duì)石墨烯無污染的電極制備方法，EuS/Graphene器

6、件中載流子的遷移率在低溫下高達(dá)～18000-26000 cm2V-1s-1，是普通石墨烯器件中的3～4倍。
　　第五章，我們通過非局域測(cè)量方法，分別研究了EuS/Graphene器件中的自旋軌道耦合作用和交換場(chǎng)。零磁場(chǎng)下，我們沒有觀測(cè)到基于自旋軌道耦合作用的自旋霍爾效應(yīng)引起的的非局域信號(hào)，這說明在EuS和Graphene的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，石墨烯的自旋軌道耦合作用并沒有被增強(qiáng)。而存在外加磁場(chǎng)時(shí)，我們觀測(cè)到EuS/Graphene器件中的