石墨烯與第二類超導體及鐵磁絕緣體間的磁近鄰效應研究.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，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)構是分別由不等價的A位原子和B位原子單獨組成的兩套三角格子組成的復式格子，其中A位原子和B位原子之間具有空間反演對稱性，這使得石墨烯的能帶結(jié)構中包含兩套能量上簡并，但是并不等價的能谷（K和K'），從而石墨烯中的電子具有額外的能谷自由度;石墨烯的價帶和導帶在K和K'點接觸，從

2、而載流子可為空穴或電子;在靠近K和K'點，石墨烯的能帶色散關系是線性的，需要用狄拉克方程描述;電子的費米速度vF=106m/s，展現(xiàn)出相對論效應?？偟膩碚f，不同于傳統(tǒng)半導體二維電子氣，石墨烯是一種具有手性特征和相對論效應的狄拉克半金屬。從而，石墨烯中展現(xiàn)出了許多獨特的物理效應，如雙極性輸運、半整數(shù)量子霍爾效應和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，具有廣泛的應用前景。但是，也有一些特征使

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

4、烯的晶體結(jié)構、能帶結(jié)構和制備方法。隨后，簡單介紹了石墨烯的一些基本電輸運特性，以及和本論文相關的一些物理基礎。第二章，簡述了樣品和器件的制備方法，以及器件的測量方法。主要包括二維材料的解理和定點轉(zhuǎn)移技術，微納加工技術，樣品表征技術以及器件測量系統(tǒng)和測量方法。
　　第三章，我們構建了Graphene/Al2O3/NbSe2復合結(jié)構，研究了二類超導體NbSe2中的磁通渦旋線的動力學過程對石墨烯的量子輸運的影響。當溫度低于NbSe2的超

5、導轉(zhuǎn)變溫度時，在低磁場范圍，在石墨烯的縱向電阻率隨磁場的變化曲線上，出現(xiàn)了非對稱的磁致電阻率平臺和磁滯行為。這一磁致電阻率平臺和磁滯回線，來源于單晶NbSe2薄片邊緣處的缺陷對磁通渦旋線的釘扎效應。
　　第四章，我們制備了EuS/Graphene復合結(jié)構，研究了鐵磁絕緣體EuS對石墨烯電輸運性質(zhì)的影響。通過改善器件制備技術，包括低溫(～80 K)下在石墨烯上沉積EuS，和采用對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～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。零磁場下，我們沒有觀測到基于自旋軌道耦合作用的自旋霍爾效應引起的的非局域信號，這說明在EuS和Graphene的復合結(jié)構中，石墨烯的自旋軌道耦合作用并沒有被增強。而存在外加磁場時，我們觀測到EuS/Graphene器件中的