超出范霍夫奇异性的石墨烯超掺杂技术

十多年来，理论物理学家预测石墨烯的范霍夫奇异性可能与物质的不同奇异相相关，其中最著名的是手性超导。范霍夫奇异点本质上是晶体固体的态密度(DOS)的非光滑点。当石墨烯达到或接近该特定能级时，在其电子结构中会形成一条平坦带，该带会占据大量电子。这导致强大的多体交互作用，从而促进或实现了外来物质状态的存在。

到目前为止，使用模型计算很难确定石墨烯的可用能级需要填充电子(即“掺杂”)以使各个相稳定的确切程度。识别或设计可用于将石墨烯掺杂到范霍夫奇异性或超越范霍夫奇异性的技术，最终可能导致与奇异物质阶段有关的有趣观察，从而可以为新的基于石墨烯的技术的发展铺平道路。

位于德国斯图加特的马克斯·普朗克固体研究所的研究人员最近设计了一种方法，可以使范霍夫奇异度超出石墨烯的掺杂范围。在《物理评论快报》上发表的一篇论文中介绍了他们的方法，该方法结合了两种不同的技术，即插层和钾吸附。

进行这项研究的研究人员之一菲利普·罗森茨威格(Philipp Rosenzweig)对Phys.org表示：“非常需要在范霍夫奇异点附近实验可调的电子密度，” “较早的实验表明，石墨烯确实可以稳定在范霍夫能级上，并且可以随后从这种钉扎情况中去除电荷载流子。但是，我们要问的问题是我们是否还可以将更多的电子转移到石墨烯上层，克服了范霍夫钉扎和超出唯一性的过度掺杂吗?除了纯粹的原理证明，这将为具有相关前景的未开发阶段提供令人兴奋的希望。”

将石墨烯掺杂到van Hove奇异点本身就是一项艰巨的任务，因为它需要每cm 2转移100万亿(10 14)个电子到石墨烯层上。石墨烯的掺杂可以通过在其上面沉积其他原子种类来实现，这些其他原子种类向其捐赠一些电子。

掺杂石墨烯的另一种方法，称为插层法，要求将掺杂剂夹在石墨烯及其支撑基材之间。在过去的十年中，该技术已被证明对调整材料的电子性能非常有用。

通常，即使将沉积和插入方法结合起来，石墨烯的载流子密度也很难增加到任意值。这主要是因为电荷转移最终将饱和，从而防止其被掺杂到一定水平以上。

罗森茨威格说：“最近，我们发现由于某些元素的高掺杂效率而插入某些稀土元素已经足以将石墨烯钉在其范霍夫奇异点上。” “在那种情况下，石墨烯的表面仍然自由地占据了其他掺杂物。从the插石墨烯的范霍夫场景开始，通过在顶部沉积钾原子，我们能够将载流子密度提高1.5倍。 ，远远超出了奇点。”

在他们的实验中，研究人员使用y插层和钾吸附方法。这种方法使他们能够在范霍夫奇异度以外的半导体碳化硅(SiC)衬底上掺杂一层石墨烯，从而达到5.5 x 10 14 cm -2的载流子密度。

Rosenzweig解释说：“您可以将我们所使用的策略与日常生活中需要将笨重的物体抬上楼梯到顶层(在我们的情况下，超出van Hove的奇异之处)进行比较。” “这只有通过同时从下方推动(即插)和从上方推动(即钾吸附)才有可能实现。”

Rosenzweig及其同事进行的研究证明，在实验环境中掺杂石墨烯超出其范霍夫奇异性实际上是可能的。在BESSY II同步加速器Helmholtz-Zentrum Berlin进行的测试中，研究人员使用一种称为角分辨光电子能谱的技术检查了他们的石墨烯系统。该方法可以直接观察石墨烯的能带结构及其通过掺杂的演化。

Rosenzweig说：“以前，过度掺杂的可行性尚不明确，因为该系统首先被固定在占据大量电荷载流子的奇点级。” “实际上，通过将石墨烯的掺杂水平提高到新的水平，我们的研究还在该原型二维材料的相图中开辟了一个新的，尚未探索的领域。因此，我们希望我们的工作将有助于加强对石墨烯的追求。单层石墨烯中的相关基态肯定会在物理学的各个子领域中引起人们的兴趣。”

将来，罗森茨威格和他的同事们收集的发现可能为研究超出范霍夫奇异性掺杂的石墨烯中的奇异物质状态开辟新的令人兴奋的可能性。此外，这项最新研究可以增强目前对van Hove掺杂石墨烯中强非局部多体相互作用的了解，该相互作用已发现对其能级具有明显的翘曲影响。研究人员证明，这种影响仍然存在于过度掺杂的体系中，并且随着石墨烯接近van Hove奇异性，这种影响越来越明显。因此，他们收集的数据还可以激发新的理论模型的发展，这些模型已经超越了常规的费米液体理论。

罗森茨威格总结说：“现在，我们可以在范霍夫能级附近对实验中的掺杂水平进行常规调整，我们正在寻找理论预测的各种异相。” “向星星射击，在外延石墨烯单层中实现非常规的超导电性当然是一项突破性的发现，有一天可能会导致技术应用。无论如何，van-Hove掺杂石墨烯的发展令人振奋。”