石墨烯特殊的電子遷移率、柵極可調(diào)性以及與超導(dǎo)材料的接觸透明性使其成為研究超導(dǎo)鄰近效應(yīng)的理想材料。然而，石墨烯與超導(dǎo)體的功函數(shù)差異導(dǎo)致石墨烯不可避免地在接觸附近摻雜，在空穴摻雜區(qū)形成p–n結(jié)，降低了接觸透明度。這對利用石墨烯雙極性的器件實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。為了解決這一局限性，本研究開發(fā)了一種新的二維超導(dǎo)觸點制備方案，該方案允許對與超導(dǎo)體接觸的石墨烯和石墨烯通道的電荷濃度和極性進(jìn)行獨立控制。通過測量接觸透明度、電導(dǎo)增強(qiáng)和約瑟夫森耦合，證實了石墨烯與兩種極性的透明接觸。此外，本研究還證明了負(fù)填充因子ν=−2時量子霍爾邊態(tài)的Andreev過程。該方案將為利用石墨烯的雙極性和超導(dǎo)電性實現(xiàn)各種理論命題開辟途徑。
圖1. 二維（2D）超導(dǎo)（SC）觸點的結(jié)構(gòu)和制造程序。（a，b）（a）一維（1D）SC與石墨烯接觸的示意圖和（b）接觸點附近石墨烯中的費米能（EF）（c，d）（c）二維SC與石墨烯接觸的示意圖和（d）接觸點附近石墨烯中的EF。對于EF的示意圖，藍(lán)色曲線表示石墨烯中的電子摻雜，而紅色曲線表示石墨烯中的空穴摻雜。（e） 六方氮化硼（hBN）/石墨烯/hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上2D SC接觸的制造程序。（f） 2D SC接觸的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。（g） 2D SC接觸的電子能量損失譜（EELS）。
圖2. 二維超導(dǎo)觸頭的三探針測量。（a） 具有測量配置的設(shè)備的假彩色掃描電子顯微鏡圖像。NbN/Nb/Ti超導(dǎo)電極（綠色）和Au/Cr正常電極（黃色）與石墨烯（藍(lán)色）接觸。橙色虛線表示頂部柵極。（b） 在T=10.8 K的溫度下，正常狀態(tài)電導(dǎo)（GN）隨石墨烯（nch）溝道區(qū)電荷濃度和外加背柵電壓（VBG）的變化。對于（c），兩條垂直黃色虛線分別對應(yīng)于nch=−2×10
11 cm
–2（左）和nch=2×10
11 cm
–2（右）。四角插圖：沿四種極性配置對應(yīng)的器件長度方向，在坐標(biāo)x中靠近觸點的石墨烯的費米能量（EF）示意圖。（c） 在nch=−2×10
11 cm
–2（左）和nch=2×10
11 cm
–2（右）的偏置電壓VB=2.5 mV（G2.5?mV）下采集的數(shù)據(jù)歸一化的微分電導(dǎo)，作為T=20 mK時VB和VBG的函數(shù)。藍(lán)色虛線對應(yīng)于（d）的每個面板。（d） VBG=6.8 V（右上），-10 V（右下）在nch=2×10
11 cm
–2和VBG=4.925 V（左上），-25 V（左下）在nch=-2×10
11 cm
–2處的線切割。紅色曲線對應(yīng)于Blonder–Tinkham–Klapwijk（BTK）擬合，勢壘強(qiáng)度Z，能量展寬Γ，超導(dǎo)間隙Δ=0.45 meV。（e） 接觸透射概率τ和勢壘強(qiáng)度Z是VBG的函數(shù)。（f） τ與1/（1+Z
2）的相關(guān)性。
圖3. 具有二維超導(dǎo)接觸的石墨烯約瑟夫森結(jié)（GJJ）的輸運特性。（a） 用測量結(jié)構(gòu)的二維超導(dǎo)鉬錸（MoRe）觸頭制作的GJJ器件的假彩色掃描電鏡圖像。更多的超導(dǎo)電極（綠色）與石墨烯（藍(lán)色）接觸形成約瑟夫森結(jié)。橙色虛線表示頂部柵極。（b） 在T=8.5 K的溫度下，正常狀態(tài)電導(dǎo)（G
N）隨石墨烯（n
ch）溝道區(qū)電荷濃度和外加背柵電壓（V
BG）的變化。黃色點對應(yīng)于n
ch，其中給定V
BG的接觸透射概率最大（τ
max）。四角插圖：坐標(biāo)x中費米能量（E
F）沿設(shè)備長度方向的示意圖，對應(yīng)于四個極性配置。（c） 估算n
co作為V
BG的函數(shù)，擬合如正文所述。（d） G
N和GJJ的臨界電流（I
C），作為V
BG=5 V（上面板）和V
BG=−30 V（下面板）的n
ch函數(shù)。（e） 作為n
ch函數(shù)的2D接觸和1D情況下τ
max的比較。（f） 一維和二維接觸情況下，寬度歸一化I
C作為n
ch函數(shù)的比較。在V
BG=−30 V（藍(lán)色）和V
BG=5 V（紅色）下采集2D觸點數(shù)據(jù)。
圖4. 負(fù)填充因子ν=−2的量子霍爾態(tài)中的交叉Andreev轉(zhuǎn)換。（a） 石墨烯霍爾棒器件的假彩色掃描電子顯微鏡圖像，該器件由具有測量結(jié)構(gòu)的二維（2D）超導(dǎo)鉬/錸（MoRe）觸點制成。更超導(dǎo)的電極（綠色）和Au/Cr正常電極（黃色）與石墨烯（藍(lán)色）接觸。橙色虛線表示頂部柵極。（b） 上面板：在磁場B=4.559 T、背柵極電壓V
BG=−30 V、頂柵極電壓V
TG=6.298 V時，差分下游電阻（dV
D/d
I）（黑色）和差分霍爾電阻（−dV
XY/d
I）（紅色）作為上游偏置電壓（V
U）的函數(shù)。下面板：下游電壓（V
D）作為V
U的函數(shù)。天藍(lán)色垂直虛線表示超導(dǎo)間隙更多（Δ更多）。（c） dV
D/d
I（上面板）和−dV
XY/d
I（下面板）的彩色編碼圖，作為B=3 T、V
BG=−10 V和V
TG=0.9747 V時V
U和溫度T的函數(shù)。天藍(lán)色水平虛線表示更多電極的臨界溫度。（d） 下游電阻（R
D=V
D/I）、上游電阻（R
U=V
U/I）和霍爾電阻（−R
XY=（V
U–V
D）/I）作為T的函數(shù)，對應(yīng)于（c）的零偏置（V
U=0）切割。天藍(lán)色垂直虛線表示更多電極的臨界溫度。
相關(guān)研究成果由浦項科技大學(xué)
Gil-Ho Lee課題組2024年發(fā)表在
Nano Letters
(鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03767)上。原文：
Engineering Superconducting Contacts Transparent to a Bipolar Graphene
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
