石墨烯特殊的电子迁移率、栅极可调性以及与超导材料的接触透明性使其成为研究超导邻近效应的理想材料。然而，石墨烯与超导体的功函数差异导致石墨烯不可避免地在接触附近掺杂，在空穴掺杂区形成p–n结，降低了接触透明度。这对利用石墨烯双极性的器件实现提出了挑战。为了解决这一局限性，本研究开发了一种新的二维超导触点制备方案，该方案允许对与超导体接触的石墨烯和石墨烯通道的电荷浓度和极性进行独立控制。通过测量接触透明度、电导增强和约瑟夫森耦合，证实了石墨烯与两种极性的透明接触。此外，本研究还证明了负填充因子ν=−2时量子霍尔边态的Andreev过程。该方案将为利用石墨烯的双极性和超导电性实现各种理论命题开辟途径。
 

图1. 二维（2D）超导（SC）触点的结构和制造程序。（a，b）（a）一维（1D）SC与石墨烯接触的示意图和（b）接触点附近石墨烯中的费米能（EF）（c，d）（c）二维SC与石墨烯接触的示意图和（d）接触点附近石墨烯中的EF。对于EF的示意图，蓝色曲线表示石墨烯中的电子掺杂，而红色曲线表示石墨烯中的空穴掺杂。（e） 六方氮化硼（hBN）/石墨烯/hBN异质结构上2D SC接触的制造程序。（f） 2D SC接触的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。（g） 2D SC接触的电子能量损失谱（EELS）。
 

图2. 二维超导触头的三探针测量。（a） 具有测量配置的设备的假彩色扫描电子显微镜图像。NbN/Nb/Ti超导电极（绿色）和Au/Cr正常电极（黄色）与石墨烯（蓝色）接触。橙色虚线表示顶部栅极。（b） 在T=10.8 K的温度下，正常状态电导（GN）随石墨烯（nch）沟道区电荷浓度和外加背栅电压（VBG）的变化。对于（c），两条垂直黄色虚线分别对应于nch=−2×10¹¹ cm^–2（左）和nch=2×10¹¹ cm^–2（右）。四角插图：沿四种极性配置对应的器件长度方向，在坐标x中靠近触点的石墨烯的费米能量（EF）示意图。（c） 在nch=−2×10¹¹ cm^–2（左）和nch=2×10¹¹ cm^–2（右）的偏置电压VB=2.5 mV（G2.5 mV）下采集的数据归一化的微分电导，作为T=20 mK时VB和VBG的函数。蓝色虚线对应于（d）的每个面板。（d） VBG=6.8 V（右上），-10 V（右下）在nch=2×10¹¹ cm^–2和VBG=4.925 V（左上），-25 V（左下）在nch=-2×10¹¹ cm^–2处的线切割。红色曲线对应于Blonder–Tinkham–Klapwijk（BTK）拟合，势垒强度Z，能量展宽Γ，超导间隙Δ=0.45 meV。（e） 接触透射概率τ和势垒强度Z是VBG的函数。（f） τ与1/（1+Z²）的相关性。
 
 
图3. 具有二维超导接触的石墨烯约瑟夫森结（GJJ）的输运特性。（a） 用测量结构的二维超导钼铼（MoRe）触头制作的GJJ器件的假彩色扫描电镜图像。更多的超导电极（绿色）与石墨烯（蓝色）接触形成约瑟夫森结。橙色虚线表示顶部栅极。（b） 在T=8.5 K的温度下，正常状态电导（G_N）随石墨烯（n_ch）沟道区电荷浓度和外加背栅电压（V_BG）的变化。黄色点对应于n_ch，其中给定V_BG的接触透射概率最大（τ_max）。四角插图：坐标x中费米能量（E_F）沿设备长度方向的示意图，对应于四个极性配置。（c） 估算n_co作为V_BG的函数，拟合如正文所述。（d） G_N和GJJ的临界电流（I_C），作为V_BG=5 V（上面板）和V_BG=−30 V（下面板）的n_ch函数。（e） 作为n_ch函数的2D接触和1D情况下τ_max的比较。（f） 一维和二维接触情况下，宽度归一化I_C作为n_ch函数的比较。在V_BG=−30 V（蓝色）和V_BG=5 V（红色）下采集2D触点数据。
 
 
图4. 负填充因子ν=−2的量子霍尔态中的交叉Andreev转换。（a） 石墨烯霍尔棒器件的假彩色扫描电子显微镜图像，该器件由具有测量结构的二维（2D）超导钼/铼（MoRe）触点制成。更超导的电极（绿色）和Au/Cr正常电极（黄色）与石墨烯（蓝色）接触。橙色虚线表示顶部栅极。（b） 上面板：在磁场B=4.559 T、背栅极电压V_BG=−30 V、顶栅极电压V_TG=6.298 V时，差分下游电阻（dV_D/d_I）（黑色）和差分霍尔电阻（−dV_XY/d_I）（红色）作为上游偏置电压（V_U）的函数。下面板：下游电压（V_D）作为V_U的函数。天蓝色垂直虚线表示超导间隙更多（Δ更多）。（c） dV_D/d_I（上面板）和−dV_XY/d_I（下面板）的彩色编码图，作为B=3 T、V_BG=−10 V和V_TG=0.9747 V时V_U和温度T的函数。天蓝色水平虚线表示更多电极的临界温度。（d） 下游电阻（R_D=V_D/I）、上游电阻（R_U=V_U/I）和霍尔电阻（−R_XY=（V_U–V_D）/I）作为T的函数，对应于（c）的零偏置（V_U=0）切割。天蓝色垂直虚线表示更多电极的临界温度。
 
        相关研究成果由浦项科技大学Gil-Ho Lee课题组2024年发表在Nano Letters
 (链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03767)上。原文：Engineering Superconducting Contacts Transparent to a Bipolar Graphene

转自《石墨烯研究》公众号