石墨烯隧道器件實現較高溫度探測電子關聯研究獲進展

　　石墨烯具有獨特的線性色散關系、無質量狄拉克費米子特性和弱的自旋軌道耦合，是研究電子、自旋輸運的理想二維晶體材料。低的載流子濃度和弱的電子屏蔽使得石墨烯中存在較強的電子關聯，因此，二維石墨烯通過整數、分數量子霍爾效應測試可以觀察到電子關聯相互作用。然而，這些觀察要求較苛刻的實驗條件，如較低的溫度，并采用高質量、高遷移率的石墨烯樣品。此時，在電子-聲子散射和無序散射被抑制的條件下有助觀察電子-電子相互作用。

　　中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米器件與應用重點實驗室劉立偉團隊與中科院物理研究所呂力團隊合作，提出了一種新的不對稱的磁性電極石墨烯三明治垂直結構器件。其新奇之處在于它具有水平和垂直通道，實現了在較高溫度條件下觀察到弱局域化和電子-電子相互作用，并得出電子-電子相互作用為主要的退相干機制。此外，在采用磁場平行器件樣品時，研究人員還觀察到了自旋閥效應。這些發現對于在較高溫度研究電子關聯和自旋輸運具有重要意義。相關結果已發表于Applied Physics Letters 104, 153114 (2014)。

　　在不對稱Ni/graphene/Co垂直自旋輸運器件中，由于磁性電極易磁化方向在電極平面內，當磁場施加在垂直電極平面的時候，即可觀察到弱局域化效應和電子-電子關聯。由于垂直結構具有較短的電子和自旋通道，大大減低了電子輸運過程中受到的散射。因此，電子輸運有效屏蔽了聲子散射影響，具有較長的平均自由程，從而使得我們能夠在較高溫度(~120℃) 觀察到弱局域化和電子-電子相互作用。此外，通過電阻溫度對數依賴可得到相互作用強度系數，同時可以得到費米液體常數結果與理論吻合很好。退相干率與溫度一次方成正比，說明電子-電子相互作用為主要的退相干機制。

　　研究人員還在電極Ni/graphene/Co垂直器件中觀察到自旋閥效應。當磁場平行于樣品平面時，從正到負或從負到正掃磁場，磁場方向后矯頑力小的電極先改變方向，兩電極磁化方向相反時候電阻較大，呈現高阻態。當磁場進一步增大時，兩個電極都沿磁場方向，兩電極磁化方向平行，呈現低阻態。

　　此項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、蘇州納米所項目的大力資助，并得到蘇州納米所測試和加工平臺的技術支持。

　　圖1 (a) Ni/graphene/Co垂直器件示意圖。(b)石墨烯樣品拉曼和上插圖器件實物光學圖片，下插圖UV-Vis圖。(c) 2k下的磁阻。插圖是普適電導漲落。(d)電導量子修正與溫度對數關系包含弱局域修正和電子電子關聯修正，磁場分別在0T和3T得到的費米液體常數分別為-0.128和-0.098。上插圖電阻溫度關系。

圖2 (a) 在不通溫度下低場磁阻，實線是弱局域公式擬合結果。(b) 特征長度隨溫度變化。插圖退相干率隨溫度變化，可以用線性擬合。(c) 磁場平行器件平面時，觀察到自旋閥效應。