半導體所石墨烯應力波導中能谷極化輸運研究取得進展

　　近年來，石墨烯材料以其獨特的物性吸引了科學界廣泛的研究關注，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯方面的研究榮獲獲得2010年度諾貝爾物理學獎。石墨烯由單層碳原子的二維六角格子構成，其低能能帶呈現出無質量手征的Dirac電子特征，其布里淵區包含K和K’兩個不等價的能谷。石墨烯中的這兩個谷由時間反演對稱性相聯系，這與電子自旋十分類似。所以石墨烯的谷自由度可視為贗自旋，并可利用來實現相關谷電子功能器件。為了實現谷電子學器件，一個首要的目標是發現一種能夠高效產生谷極化電流的方案。無論從理論還是實驗上，這個目標都是具有挑戰性的課題。目前國際上已經有了一些重要研究進展，通常方法需要在石墨烯上安置特定的電極以施加外場或利用石墨烯納米帶來實現，由于納米帶制備技術復雜，且對納米帶的邊界有嚴格的要求，因此實驗上難于實現。

　　在國家基金委，中科院創新工程和科技部的支持下，半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室常凱研究員和博士生吳振華、浙師大翟峰教授等合作者，從理論上提出了一個僅利用襯底應力產生谷極化電流的方案。與以前的方案相比，無需施加外場或利用納米帶結構。近年來，人們發現應變會在石墨烯布里淵區K和K’能谷產生大小相等、方向相反的贗磁場。該研究的方案主要是利用大塊石墨烯結構中不同能谷的電子具有不同的布儒斯特角，實現能谷依賴的類光學輸運現象，進而產生谷極化的電流。該研究發現，在存在應力時，石墨烯中的電子以某些特定的入射角入射到應力區界面時，處于相反谷中的電子可以分別完美隧穿通過應力區或被應力區完全反射， 這一現象類比自然光以布儒斯特角入射到電介質界面時得到線偏振光的過程。

　　在進一步研究中，研究人員考慮了一個應力波導結構（見下圖，寬度在50納米左右）。當限制在溝道中的電子在邊界發生全反射時，會沿著界面方向經歷一個側向位移，類似光學中的Goos-H?nchen效應。 研究證明了應力波導中的谷依賴的Goos-H?nchen效應會導致K和K’谷中的電子具有不同的波導模式, 不同的群速度, 從而應力波導對兩種谷中的電子的導通能力有巨大差異。利用這一特性可以在應力波導的出射端得到高度谷極化的電流。

　　該研究成果發表在國際著名物理學期刊《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett., 106, 176802 (2011))。該項研究對于構建石墨烯谷電子學器件具有重要意義。

應力波導結構