張婷婷 成蒙 楊蓉 張廣宇

1)(中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(北京納米材料與納米器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100190)

4)(中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院,北京 100190)

鋸齒形石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加工與輸運(yùn)性質(zhì)研究?

張婷婷1)4)成蒙1)楊蓉1)4)?張廣宇1)2)3)4)?

1)(中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(北京納米材料與納米器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100190)

4)(中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院,北京 100190)

(2017年6月29日收到;2017年8月21日收到修改稿)

石墨烯,氮化硼,反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),輸運(yùn)

1 引 言

石墨烯納米結(jié)構(gòu)在納電子學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,例如場效應(yīng)晶體管、傳感器、自旋閥、光電探測器等[1?8].在石墨烯納米結(jié)構(gòu)中,石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)無論在理論上[9?11]還是實(shí)驗(yàn)上[12?15]都引起了廣泛的關(guān)注.石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以看成是石墨烯納米帶周期性排列而成.通過調(diào)控石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)的連接寬度,可以有效地調(diào)控石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電流比,可見反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是石墨烯能帶調(diào)控工程中的一個(gè)重要分支[16].最近幾年的研究表明二維超晶格對石墨烯能帶結(jié)構(gòu)有調(diào)制作用,為石墨烯在電子學(xué)和光電子學(xué)的應(yīng)用提供了新思路[17?20].二維超晶格的實(shí)現(xiàn)是基于石墨烯和氮化硼垂直異質(zhì)結(jié),由于石墨烯和氮化硼晶格失配為1.8%,不同角度堆垛下它們之間相互作用會(huì)形成不同周期的莫爾超晶格.氮化硼襯底調(diào)制下的二維超晶格對石墨烯能帶具有顯著的調(diào)控作用[17,20,21].反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的周期性陣列也是一個(gè)超晶格結(jié)構(gòu),反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中周期勢調(diào)控是通過協(xié)同改變反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期和空位缺陷大小實(shí)現(xiàn)的.反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期勢對石墨烯能帶的調(diào)控會(huì)如何影響其載流子的量子輸運(yùn)行為,是否存在新奇的物理現(xiàn)象,這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題.

在傳統(tǒng)的二維電子氣系統(tǒng)中,反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的電學(xué)特性在GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中得到了廣泛的實(shí)驗(yàn)和理論研究.公度振蕩(commensurate oscillation)的磁阻峰可以用于研究復(fù)合費(fèi)米子[22,23]、準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)[24]、霍夫施塔特蝴蝶狀能譜[25]以及調(diào)控費(fèi)米面形狀各向異性[26]等.而對于石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)而言,研究主要集中于石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中載流子的擴(kuò)散輸運(yùn)[12?15],隨著樣品質(zhì)量的提高,載流子平均自由程增大,石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)彈道輸運(yùn)[27,28].

為了得到高質(zhì)量的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),我們選取六方氮化硼為襯底.六方氮化硼作為石墨烯的理想襯底,它具有和石墨烯類似的晶格結(jié)構(gòu),化學(xué)穩(wěn)定性高且具有原子級平整.將石墨烯轉(zhuǎn)移到氮化硼襯底上可以大幅提高石墨烯晶體管的場效應(yīng)遷移率,從而可以觀測到石墨烯的彈道輸運(yùn)[29]、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)[30]等一系列量子輸運(yùn)現(xiàn)象.利用傳統(tǒng)微納加工方法制備的石墨烯納米結(jié)構(gòu),由于邊界的無序?qū)е聵悠愤w移率大幅下降,致使原本可以探測的量子現(xiàn)象被無序的邊界散射淹沒掉.研究表明,氮化硼上用傳統(tǒng)微納加工方法制備出的石墨烯納米帶,其輸運(yùn)特性仍由邊界無序占主導(dǎo)[31],所以即便有氮化硼作為石墨烯納米結(jié)構(gòu)加工的襯底,其自然而無序的邊界也必須做進(jìn)一步處理.因此,尋找一種高效地制備高質(zhì)量石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法具有重要的科學(xué)意義.在之前的研究工作中,本研究組利用遠(yuǎn)程氫等離子刻蝕技術(shù),對單層、雙層以及多層石墨烯實(shí)現(xiàn)了具有鋸齒形(zigzag)邊界的各向異性刻蝕[32?35].氫等離子體各向異性刻蝕加工方法得到的樣品邊界完美,為研究石墨烯納米結(jié)構(gòu)的本征物理性質(zhì)奠定了基礎(chǔ).本文結(jié)合傳統(tǒng)微納加工方法和氫等離子體各向異性刻蝕技術(shù),在氮化硼襯底上加工具有鋸齒形邊界的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),探索具有鋸齒形邊界的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的磁輸運(yùn)特性.

2 鋸齒形邊界石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加工與輸運(yùn)性質(zhì)測量

2.1 鋸齒形邊界石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加工

選取具有原子級平整且電荷積累更少的六方氮化硼作為石墨烯的襯底.合適厚度的六方氮化硼(10—50 nm)是從六方氮化硼塊體材料經(jīng)過機(jī)械剝離的方法轉(zhuǎn)移到覆蓋了300 nm厚的二氧化硅的高摻雜硅片上.高摻雜的硅作為柵電極來調(diào)節(jié)石墨烯的載流子濃度.單層/雙層石墨烯樣品從高定向熱解石墨機(jī)械剝離到聚乙烯醇/聚甲基丙烯酸甲酯(PVA/PMMA)薄膜上,再利用干法轉(zhuǎn)移[36]的方法將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到六方氮化硼襯底上.單層/雙層石墨烯可以用光學(xué)顯微鏡的色彩對比度來判斷,再由原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM)進(jìn)行確定.反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是將PMMA膠覆蓋在石墨烯樣品后用電子束光刻(electronic beam lithography,EBL)曝光出所需要的反點(diǎn)陣列掩膜,然后用氧氣反應(yīng)離子束刻蝕(reactive ion etching,RIE)暴露出來的部分,得到所設(shè)計(jì)的周期點(diǎn)陣缺陷.接著將石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)放在自行搭建的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)中,用柔和的氫等離子體對所設(shè)計(jì)出的周期點(diǎn)陣缺陷進(jìn)行刻蝕.氫等離子體刻蝕會(huì)進(jìn)一步放大該設(shè)計(jì)的空位缺陷.且不會(huì)引入新的缺陷,氫等離子體處理后得到邊緣為鋸齒形取向的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò).通過調(diào)控氫等離子體的功率和刻蝕時(shí)間,可以得到不同連接寬度的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),具體的加工步驟如圖1(a)所示.反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)擁有豐富的結(jié)構(gòu)自由度,如反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)陣類型、反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期a與孔洞大小d及其邊緣取向等.圖1(b)和圖1(c)分別是長方形反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和三角反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖.長方形點(diǎn)陣反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方向上的周期不一致,是一個(gè)研究各向異性磁輸運(yùn)性質(zhì)的理想平臺(tái).圖2(a)和圖2(b)分別是在氮化硼襯底上制備出來的具有鋸齒形邊界取向的單層和雙層的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)樣品的AFM形貌圖.單層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過氫等離子刻蝕后,圓形點(diǎn)陣缺陷會(huì)變成六角形的點(diǎn)陣缺陷.而雙層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過氫等離子刻蝕后,由于上下層石墨烯與襯底相互作用不同,導(dǎo)致刻蝕速率不一致,會(huì)出來兩套六角孔洞.在磁輸運(yùn)性質(zhì)測量中,選取的是具有三角周期陣列的單層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò).金屬電極的制作過程先用電子束將PMMA膠曝光,顯影后先后蒸鍍上Pd和Au.

圖1 鋸齒形取向石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加工過程與陣列設(shè)計(jì) (a)氮化硼上鋸齒形取向石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)加工過程;(b)長方形反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)示意圖;(c)三角形反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1.Schematic of fabrication of zigzag edge graphene antidote lattices(GALs)and antidot lattice design:(a)Schematic of fabrication of zigzag edge GALs on h-BN;(b)schematic views of rectangular zigzag edge GALs;(c)schematic views of triangular zigzag edge GALs.

圖2 氮化硼上鋸齒形邊界單層和雙層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)形貌圖 (a)單層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò);(b)雙層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Fig.2.AFM images of patterned zigzag-edge GALs on h-BN substrate:(a)Monolayer GALs on h-BN;(b)bilayer GALs on h-BN.

2.2 輸運(yùn)性質(zhì)測量

石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)器件在室溫電學(xué)測量主要使用Agilent公司的4156C半導(dǎo)體特性分析儀,低溫下磁輸運(yùn)性質(zhì)測量是在低溫磁輸運(yùn)系統(tǒng)中進(jìn)行.測量之前,石墨烯器件會(huì)先在H2氣氛中升溫到220°C,保持若干小時(shí)進(jìn)行退火,以去除樣品表面吸附的雜質(zhì).在所有的磁輸運(yùn)測量中,磁場方向都垂直于石墨烯薄膜.

3 結(jié)果與討論

石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以看成是布滿周期性空位缺陷的石墨烯或者是很多石墨烯納米帶交織而成的微結(jié)構(gòu),周期性的缺陷會(huì)極大地降低其導(dǎo)電能力.為觀測到被人為引入周期性缺陷導(dǎo)致的無序所掩蓋掉的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)本征的量子現(xiàn)象,需要氮化硼上的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)仍能保持較高的遷移率.

圖3(a)所示為制備的一塊質(zhì)量較高的單層石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)在不同溫度下的電學(xué)輸運(yùn)曲線.該石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)陣周期為300 nm,六角孔洞之間的平均間距和半徑分別約為180 nm和60 nm.通過兩端法測量了石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)電阻和柵極電壓的關(guān)系,樣品的場效應(yīng)遷移率在室溫和1.6 K時(shí)分別可以達(dá)到4280 cm2/(V·s)和16000 cm2/(V·s),這一結(jié)果表明本文制備的具有鋸齒形邊界取向的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量比較高.圖3(a)中內(nèi)插圖是對應(yīng)樣品的AFM形貌表征圖.變溫電學(xué)曲線表明,石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)在狄拉克點(diǎn)附近形成一個(gè)高阻態(tài),該樣品在室溫下的開關(guān)電流比Ion/Ioff為6.67,在低溫(1.6 K)時(shí),樣品的開關(guān)電流比上升到25.相較于石墨烯納米帶和以往在二氧化硅/硅襯底上的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的研究[22],低溫下在本文樣品中并沒有觀測到輸運(yùn)帶隙,這可能是由于石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)之間的間隙比較大(180 nm)或是由鋸齒形邊界的金屬性邊緣態(tài)所致.

圖3 石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)性質(zhì) (a)I-V曲線隨著溫度的變化;(b)在柵壓Vg=1.2 V時(shí),電阻隨磁場的變化;(c)磁阻隨柵壓和磁場強(qiáng)度變化的二維圖像;(d)器件的量子霍爾效應(yīng)Fig.3.Transport characteristic of GALs at various temperature:(a)Gate dependence of quantum resistance at various temperature;(b)magnetoresistance at Vg=1.2 V;(c)a magnetoresistance mapping for a zigzag edge GALs with period a=300 nm on h-BN substrate;(d)quantum Hall effect in zigzag edge GALs.

載流子在低磁場下的輸運(yùn)行為可以反映所制備的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性.當(dāng)外加垂直方向磁場時(shí),反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中主要有以下三種載流子的貢獻(xiàn):散射載流子(scattering carriers)、頂扎載流子(pinned carriers)、漂移載流子(drifting carriers).載流子在磁場中運(yùn)動(dòng)的回旋半徑與磁場和載流子濃度滿足如下關(guān)系:2Rc=(?/eB)(πns)1/2.當(dāng)外加磁場非常小時(shí),反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中載流子的回旋運(yùn)動(dòng)半徑很大,載流子在反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的格點(diǎn)中不斷被散射,復(fù)雜的散射過程可以通過反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)器件,對應(yīng)于散射載流子的運(yùn)動(dòng).當(dāng)外加磁場增大時(shí),對應(yīng)的回旋半徑逐漸變小,當(dāng)回旋半徑滿足圍繞一個(gè)格點(diǎn)或者多個(gè)格點(diǎn)組成的圓形軌道時(shí),載流子局域在反點(diǎn)周圍,形成頂扎載流子.這種情況下導(dǎo)電通道無法形成,在輸運(yùn)特性曲線上體現(xiàn)為磁阻峰值.隨著磁場的增大,當(dāng)回旋半徑小于反點(diǎn)間距的一半時(shí),載流子可以直接漂移通過反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),磁阻會(huì)有一定的回落.高磁場下由于朗道能級的分離又會(huì)產(chǎn)生Shubnikov-de Haas(SdH)振蕩.本文制備的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)器件在柵壓Vg=1.2 V時(shí),電導(dǎo)在磁場0.480 T處有一個(gè)極小值,此磁場下載流子運(yùn)動(dòng)回旋半徑滿足2Rc=140 nm,對應(yīng)于載流子繞著一個(gè)空位缺陷運(yùn)動(dòng),亦即是公度振蕩磁阻峰.公度振蕩磁阻峰的觀測表明在氮化硼上使用氫等離子體刻蝕制備石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)得到的樣品質(zhì)量較高.在三角形陣列的反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中,有可能觀測到載流子圍繞反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)1,3,7個(gè)空位缺陷運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的公度磁阻.隨著樣品質(zhì)量的增加,載流子的平均自由程越大,觀測到的公度振蕩峰也就越多.可以嘗試將鋸齒形邊界的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)用氮化硼封裝,得到更加高質(zhì)量的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)樣品[27].

為了觀察石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)載流子運(yùn)動(dòng)更多的細(xì)節(jié),將磁場和柵電壓作為自變量,將電阻作為因變量,測量得圖3(c)的磁阻mapping圖.載流子在反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期性邊界缺陷散射會(huì)導(dǎo)致弱局域化現(xiàn)象,致使磁阻在零磁場時(shí)有一個(gè)極大值.從磁阻隨著柵壓和磁場的二維mapping圖,可以看到弱局域現(xiàn)象在狄拉克點(diǎn)附近低載流子濃度區(qū)域較為明顯.隨著磁場的增大,當(dāng)載流子的回旋運(yùn)動(dòng)半徑明顯小于一半的反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)間距時(shí),可以觀測到sdH振蕩,在更高磁場下,朗道能級的簡并度逐漸增大,量子霍爾效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)出來.如圖3(d)所示,在B=8.83 T,溫度為1.6 K時(shí)可以清楚地看到器件的量子霍爾效應(yīng)平臺(tái),再次證明了所制備樣品的質(zhì)量較高.

然而,我們更為感興趣的反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期勢對石墨烯能帶調(diào)控在當(dāng)前樣品的磁輸運(yùn)測量中尚未能體現(xiàn)出來.一方面有可能是反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中人為引入的周期性空位缺陷對載流子散射所導(dǎo)致;另一方面則與反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期相關(guān).石墨烯與氮化硼莫爾超晶格的周期為15 nm,而反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的周期相比于莫爾超晶格比較大.此外,這里還存在著空位缺陷周期勢和本征石墨烯與氮化硼轉(zhuǎn)角周期勢的復(fù)合作用,對能帶的調(diào)控更為復(fù)雜.因此,進(jìn)一步關(guān)于反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期勢對石墨烯能帶調(diào)控的研究,可以集中于系統(tǒng)地研究反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的周期與相應(yīng)的輸運(yùn)性質(zhì),探索其是否存在一個(gè)標(biāo)度關(guān)系.

4 結(jié) 論

結(jié)合傳統(tǒng)微納加工和氫等離子體各向異性刻蝕技術(shù),在氮化硼襯底上制備了具有鋸齒形邊界取向的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò).在低溫磁阻測量中,我們觀測到反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息的公度振蕩磁阻峰.隨著磁場的增加,朗道能級簡并度逐漸增大,可以觀測到樣品磁阻從SdH振蕩到高磁場下的量子霍爾效應(yīng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)變.這些量子化現(xiàn)象表明該方法制備出的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)樣品質(zhì)量較高.然而,我們更為感興趣的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)所帶來的超晶格周期勢對石墨烯能帶的調(diào)控作用在目前輸運(yùn)測量中并未觀測到.這有可能與反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的周期相關(guān),需要調(diào)控反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的周期等自由度來開展更為系統(tǒng)的研究.我們在氮化硼襯底上制備的高質(zhì)量鋸齒形邊界取向的石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的方法,為后續(xù)研究周期勢所引入的新奇量子現(xiàn)象提供了可能.

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PACS:61.72.S–,81.05.ue,61.48.Gh,05.60.Gg DOI:10.7498/aps.66.216103

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61325021,11574361,61390503)and the National Basic Research Program of China(Grant Nos.2013CB934500,2013CBA01602).

?Corresponding author.E-mail:ryang@iphy.ac.cn

?Corresponding author.E-mail:gyzhang@iphy.ac.cn

Fabrication of zigzag-edged graphene antidot lattice and its transport properties?

Zhang Ting-Ting1)4)Cheng Meng1)Yang Rong1)4)?Zhang Guang-Yu1)2)3)4)?

1)(Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences,

Beijing 100190,China)
2)(Beijing Key Laboratory for Nanomaterials and Nanodevices,Beijing 100190,China)
3)(Collaborative Innovation Center of Quantum Matter,Beijing 100190,China)
4)(School of Physics,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

d 29 June 2017;revised manuscript

21 August 2017)

Graphene nanostructures with de fi ned edges are proposed as a promising platform for the realization of nanoelectronics and spin-electronics.However,patterned graphene nanostructure can lead to extra damage and drastically reduce its charge carrier mobility due to the edge disorder.The high flexibility of a top-down patterning method with edge smoothness is extremely desirable.Hydrogen plasma enhanced anisotropic etching graphene is demonstrated to be an efficient method of fabricating zigzag-edge graphene nanostructures.In addition,boron nitride is shown to be an excellent substrate for graphene due to its atomic flatness.Here in this work,we fabricate zigzag edge graphene antidot lattices on a boron nitride substrate via dry transfer method and traditional electron beam lithography,and reactive ion etching followed by hydrogen anisotropic etching approach.At low magnetic fields,weak localization is observed and its visibility is enhanced by intervalley scattering on antidot edges.We observe commensurate features in magnetotransport properties which stem from carriers around one antidot,signifying the high quality of our patterned samples.At high magnetic field,crossover from Shubnikov-de Haas oscillation to quantum Hall effect can be clearly observed due to the high mobility of our zigzag edge graphene antidot lattices.The transport properties of our patterned samples suggest that our fabrication method paves the way for achieving high quality graphene antidot lattices.High quality zigzag edge graphene antidot lattice might be a great platform to study the transport properties of lateral superlattice potential modulation graphene.

graphene,boron nitride,antidot lattices,transport

具有特定邊界的石墨烯納米結(jié)構(gòu)在納電子學(xué)、自旋電子學(xué)等研究領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.然而石墨烯加工成納米結(jié)構(gòu)時(shí),無序的邊界不可避免地會(huì)降低其載流子遷移率.氫等離子體各向異性刻蝕技術(shù)是加工具備完美邊界石墨烯微納結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),刻蝕后的石墨烯呈現(xiàn)出規(guī)則的近原子級平整的鋸齒形邊界.本文研究了氮化硼上鋸齒形邊界石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的磁輸運(yùn)性質(zhì),低磁場下可以觀測到載流子圍繞著一個(gè)空位缺陷運(yùn)動(dòng)時(shí)的公度振蕩磁阻峰.隨著磁場的增大,朗道能級簡并度逐漸增大,載流子的磁輸運(yùn)行為從Shubnikov-de Haas振蕩逐漸向量子霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)變.在零磁場附近可以觀測到反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)周期性空位缺陷的邊界散射所導(dǎo)致的弱局域效應(yīng).研究結(jié)果表明,在氮化硼襯底上利用氫等離子體刻蝕技術(shù)加工鋸齒形邊界石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),其樣品質(zhì)量會(huì)明顯提高,這種簡單易行的方法為后續(xù)高質(zhì)量石墨烯反點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的輸運(yùn)研究提供了新思路.

10.7498/aps.66.216103

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61325021,11574361,61390503)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2013CB934500,2013CBA01602)資助的課題.

?通信作者.E-mail:ryang@iphy.ac.cn

?通信作者.E-mail:gyzhang@iphy.ac.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society