AB堆叠双层和ABC堆叠三层石墨烯的高磁场隧道谱研究

摘要

石墨烯因其独特的电学性质成为物理学类研究中的明星材料，其电子特性随着其层数和层间堆叠顺序而变化。例如，由于具有多个电子自由度，AB堆叠的双层石墨烯逐渐成为一种非常吸引人的实验平台，用于探索量子霍尔机制中丰富的新奇现象。此外，ABC堆叠的三层石墨烯由于在其电荷中性点附近存在几乎无色散的平带结构，预计能表现出新奇的多体现象。本文使用低温高磁场扫描隧道显微镜和隧道谱研究了AB堆叠双层和ABC堆叠三层石墨烯在高磁场下的朗道能级谱，并且发现了丰富的对称破缺诱导的朗道能级劈裂，包括谷、自旋和轨道劈裂。得到的主要结果具体如下：　　首先，在AB堆叠双层石墨烯的高磁场隧道谱研究中，实验发现最低轨道指数n=(0,1)朗道能级的自旋和轨道劈裂依赖于它的填充状态，并且在部分填充状态下表现出明显的增强。完全填充的谷极化朗道能级的劈裂在其相反谷的朗道能级部分填充时也被增强。这些结果揭示了该体系中显著的多体效应。此外，在轨道指数n=(0,1)的朗道能级半填充时(填充因子v=0)，我们在原子尺度上直接观测到了单粒子的v=0中间相，它是双层石墨烯中倾斜反铁磁态和层极化态之间的过渡态。通过原子尺度的扫描隧道谱测量直接证明了这种v=0中间态是预测的轨道极化相。　　另外，在ABC堆叠三层石墨烯的高磁场隧道谱研究中，实验发现其谷劈裂和自旋劈裂均随磁场变化呈现近似线性增加，且自旋劈裂的大小随着朗道能级指数的增加而减小。当最低轨道指数的朗道能级被部分填充时，我们发现自旋劈裂明显增强，这归因于强的多体效应。此外，我们观察到准粒子寿命随能量增加而减小，这同样归因于ABC堆叠三层石墨烯中强的电子—电子相互作用。我们的研究结果表明，在存在高磁场的情况下，ABC堆叠的三层石墨烯中可能出现有趣的破裂对称状态和新奇的电子关联现象。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景介绍

1.2 石墨烯的基本结构与堆叠方式

1.2.1 单层石墨烯的基本结构

1.2.2 AB 堆叠双层石墨烯的基本结构

1.2.3 ABC 堆叠三层石墨烯的基本结构

1.3 基本理论方法介绍

1.3.1 紧束缚模型

1.3.2 层间耦合

1.4 磁场下的朗道能级

1.4.1 AB 堆叠双层石墨烯的朗道能级

1.4.2 ABC 堆叠三层石墨烯的朗道能级

1.4.3 朗道能级的谷劈裂以及自旋劈裂

1.5 本论文研究目的与主要内容

第2章基本实验仪器的介绍

2.1 扫描隧道显微镜

2.2 扫描隧道显微镜的原理

2.2.1 量子隧道效应

2.2.2 隧穿电流

2.3 扫描隧道谱原理

2.4 系统构造与工作模式

2.4.1 系统构造

2.4.2 工作模式

第3章AB堆叠双层石墨烯的高磁场扫描隧道谱

3.1 引言

3.2.1 理论模型

3.2.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 高分辨双层石墨烯的朗道能级谱

3.3.2 高磁场下的朗道能级劈裂

3.3.3 部分轨道极化 v=0 中间态的观测

3.4 本章小结

第4章 ABC 堆叠三层石墨烯的高磁场扫描隧道谱

4.1 引言

4.2 理论模型与实验方法

4.2.1 理论模型

4.2.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 高分辨 ABC 三层石墨烯的朗道能级谱

4.3.2 高磁场下的朗道能级劈裂

4.3.3 随能量线性变化的准粒子寿命

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 B 攻读学位期间参与的基金项目目录

致谢