Transport in adatom-decorated graphene Erik Henriksen Jamie - - PowerPoint PPT Presentation

Transport ¡in ¡adatom-­‑decorated ¡graphene ¡

Erik ¡Henriksen ¡ Chandni ¡U ¡ & ¡J.P. ¡Eisenstein ¡ Jamie ¡Elias ¡ (and ¡EAH) ¡

Outline ¡

I. ¡Mo.va.on ¡ ¡topological ¡physics ¡from ¡adatoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ II. ¡Indium ¡atoms ¡on ¡graphene ¡(Caltech) ¡ ¡experimental ¡apparatus ¡for ¡in ¡situ ¡deposiCon ¡ ¡results ¡ ¡ ¡

• III. 5d ¡atoms ¡on ¡graphene ¡(Wash. ¡U.) ¡

¡ ¡2nd ¡generaCon ¡apparatus ¡ ¡ ¡iniCal ¡findings ¡ ¡

Graphene ¡

E ¡ kx ¡ ky ¡

K’ ¡ K ¡

Graphene ¡

B C D

Wang ¡et ¡al., ¡Science ¡342, ¡614 ¡(2013) ¡

Graphene ¡

Graphene ¡

(e2/h) Vg (V) Doping time 20 40 60 –80 –60 –40 –20 σ 20 0 s 6 s 12 s 18 s

Vg ¡ σ ¡( ¡e2/h ¡) ¡

Chen ¡et ¡al., ¡Nature ¡Phys ¡4, ¡377 ¡(2008) ¡ ¡also ¡Yan ¡& ¡Fuhrer, ¡PRL ¡107, ¡206601 ¡(2011) ¡

DeposiCon ¡of ¡K ¡atoms ¡

Schedin ¡et ¡al., ¡Nature ¡Materials ¡6, ¡652 ¡(2007) ¡

ρ ρ

~ ~

500 1,000 –4 –2 2 4 t (s) ∆ / (%)

I II III IV NH3 CO H2O NO2

b

Cme ¡(s) ¡ Δρ/ρ ¡(%) ¡

–40 –20 20 40 1 2 Vg (V) σ (kΩ–1)

Vg ¡ σ ¡( ¡kΩ-­‑1 ¡) ¡

AdsorpCon ¡of ¡molecules ¡

fluorinated ¡and ¡fluoro-­‑graphene ¡ graphane ¡ Nair ¡et ¡al., ¡Small ¡6, ¡2877 ¡(2010) ¡ Jeon ¡et ¡al., ¡ACS ¡Nano ¡5, ¡1042 ¡(2011) ¡ Hong ¡et ¡al., ¡PRB ¡83, ¡085410 ¡(2011) ¡ ¡ Sofo ¡et ¡al., ¡Phys. ¡Rev. ¡B ¡75, ¡153401 ¡(2007) ¡ Elias ¡et ¡al., ¡Science ¡323, ¡610 ¡(2009) ¡ ¡

Chemical ¡funcConalizaCon ¡

@ A H = ~˜ c @ ∆SO kx − iky kx + iky −∆SO 1 A

Kane ¡& ¡Mele, ¡Phys. ¡Rev. ¡Leg. ¡95, ¡226801 ¡(2005) ¡

Graphene ¡topological ¡insulator ¡

@ H = ~˜ c @ kx − iky kx + iky 1 A 1 E ¡ kx ¡ ky ¡ E = ~˜ c|k| E ¡ kx ¡ ky ¡ ESO = q (~˜ c|k|)2 + ∆2

SO

E ¡ kx ¡ ky ¡

Graphene ¡topological ¡insulator ¡

ESO = q (~˜ c|k|)2 + ∆2

SO

• 1

2π/a π/a E/t k 1

X

X

Kane ¡& ¡Mele, ¡Phys. ¡Rev. ¡Leg. ¡95, ¡226801 ¡(2005) ¡

@ A H = ~˜ c @ ∆SO kx − iky kx + iky −∆SO 1 A

–0.2 0.0 ky (Å–1) SS k = (0.8, ky, 2.9) = L ± δky L 0.0 –0.1 –0.2 –0.3 –0.4 EB (eV) 0.1 –0.5 0.2 ky kx 2

a b

Hsieh ¡et ¡al., ¡Nature ¡452, ¡970 ¡(2008) ¡

–1.0 –0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 103 104 105 106 107

R14,23 / Ω

R14,23 / kΩ

G = 0.3 e2/h G = 0.01 e2/h T = 30 mK

–1.0 –0.5 0.0 0.5 1.0 5 10 15 20

G = 2 e2/h

G = 2 e2/h

T = 0.03 K

(Vg – Vthr) / V

(Vg – Vthr) / V

T = 1.8 K

König ¡et ¡al., ¡Science ¡318, ¡766 ¡(2007) ¡

Topological ¡insulators ¡

2D ¡ 3D ¡

Graphene ¡topological ¡insulator ¡

indium ¡ ¡ 7 ¡meV ¡gap ¡ thallium ¡ ¡ 21 ¡meV ¡gap ¡

Γ M K Γ 2 4 4 8

7 meV

6 Γ M K Γ 0 3 6

21 meV

Weeks ¡et ¡al., ¡PRX ¡1, ¡021001 ¡(2011) ¡

Graphene ¡topological ¡insulator ¡

Weeks ¡et ¡al., ¡PRX ¡1, ¡021001 ¡(2011) ¡ Hu ¡et ¡al., ¡PRL ¡109, ¡266801 ¡(2012) ¡ ¡

M K

• 2
• 1

1 2 ∆SO

Energy (eV)

(a)

8 0 1 2 3 4 5 6 7 0.1 0.2 0.3

Os Cu-Os

(eV)

Coverage (%)

(c)

with ¡5d ¡atoms ¡e.g. ¡osmium ¡

Outline ¡

I. ¡MoCvaCon ¡ ¡topological ¡physics ¡from ¡adatoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ II. ¡Indium ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡experimental ¡apparatus ¡for ¡in ¡situ ¡deposi.on ¡ ¡results ¡ ¡ ¡

• III. 5d ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡

¡ ¡2nd ¡generaCon ¡apparatus ¡ ¡ ¡iniCal ¡findings ¡ ¡

In ¡situ ¡evaporaCon ¡

EvaporaCon ¡sources ¡

Indium ¡deposiCon ¡

Δn ¡≈ ¡4 ¡x ¡1012 ¡cm-­‑2 ¡

Indium ¡deposiCon ¡

Indium ¡deposiCon ¡

Indium ¡deposiCon ¡

400 300 200 100 T ( K )

• 60 -40 -20

20 40 60 Vg ( V ) 1.5 1.0 0.5 G ( mS ) 450

Indium ¡deposiCon ¡

100 50 σ ( e

2 / h )

50

• 50

Vg ( V )

as made 0.08% In coverage 0.20% In coverage T = 12 K

Magnetoresistance ¡

– 0.08% In

• 2
• 1

1 2 RH ( kΩ / T )

• 2
• 1

1 2 density ( 10

• 12 cm
• 2 )

as made 0.08% In 1 / ne

• 1.0
• 0.5

0.5 Δρ / ρ0 8 6 4 2 B ( T )

n = 1.4 x 10

12 cm –2

solid – as made dashed – 0.08% In

Magnetoresistance ¡

n ( 10

12 cm –2 ):

0.6 0.4 0.2 Δρ / ρ0

• 2
• 1

1 2 B ( T )

as made

0.6 0.4 0.2 Δρ / ρ0

• 2
• 1

1 2 B ( T )

1

st In evap

± 0.7 ± 1.4 ± 2.8 ± 4.2 ± 5.6

electron-­‑hole ¡puddle ¡ transport ¡in ¡EMA? ¡ ¡ Stroud ¡PRB ¡71, ¡201304 ¡ Das ¡Sarma ¡PRB ¡79, ¡245423 ¡

Weak ¡localizaCon ¡

1.0 0.5 Δσ (e

2/h)

12 K 50 K

a)

Clean sample

1.0 0.5 Δσ (e

2/h)

• 50

50 B (mT)

12 K 50 K

c)

In-decorated sample

1.0 0.5 Δσ (e

2/h)

b)

clean with In with more In

Adding indium

Weak ¡localizaCon ¡

1.0 0.5 Δσ (e

2/h)

12 K 50 K

a)

Clean sample

1.0 0.5 Δσ (e

2/h)

• 50

50 B (mT)

12 K 50 K

c)

In-decorated sample

1.0 0.5 Δσ (e

2/h)

b)

clean with In with more In

Adding indium

∆ = e2 ⇡h[F( B Bφ ) − F( B Bφ + 2Bi ) − 2F( B Bφ + Bi )] F(z) = ln(z) + (1 2 + 1 z ), Bφ,i = ~ 4De⌧ −1

φ,i

( modified ¡fit ¡based ¡on ¡McCann ¡et ¡al., ¡PRL ¡97, ¡146805 ¡(2006): ¡

0.8 0.6 0.4 0.2 Δσ (e

2/h)

• 20
• 10

10 20 B (mT)

clean with indium

a)

limit ¡to ¡fit: ¡ l2

µ < l2 B

Weak ¡localizaCon ¡

∆ = e2 ⇡h[F( B Bφ ) − F( B Bφ + 2Bi ) − 2F( B Bφ + Bi )] F(z) = ln(z) + (1 2 + 1 z ), Bφ,i = ~ 4De⌧ −1

φ,i

( modified ¡fit ¡based ¡on ¡McCann ¡et ¡al., ¡PRL ¡97, ¡146805 ¡(2006): ¡

10

• 13

10

• 12

10

• 11

Scattering time (sec) Temperature (K) 15 25 20 30

τφ τi τµ

b) B (mT)

0.8 0.6 0.4 0.2 Δσ (e

2/h)

• 20
• 10

10 20 B (mT)

clean with indium

a)

limit ¡to ¡fit: ¡ l2

µ < l2 B

Outline ¡

I. ¡MoCvaCon ¡ ¡topological ¡physics ¡from ¡adatoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ II. ¡Indium ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡experimental ¡apparatus ¡for ¡in ¡situ ¡deposiCon ¡ ¡results ¡ ¡ ¡

• III. 5d ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡

¡ ¡2nd ¡genera.on ¡apparatus ¡ ¡ ¡ini.al ¡findings ¡ ¡

2nd ¡generaCon ¡evaporator ¡

Osmium ¡evaporaCon ¡sources ¡

tungsten ¡ annealed ¡tungsten ¡ coated ¡with ¡osmium ¡

g-­‑BN ¡devices ¡

40 5 4 3 2 1 ρ ( kΩ / ! ) 40 20

• 20
• 40

Vg ( V )

5 4 3 2 1 ρ ( kΩ / ! ) 40 20

• 20
• 40

Vg ( V )

Osmium ¡deposiCon ¡

40 5 4 3 2 1 ρ ( kΩ / ! ) 40 20

• 20
• 40

Vg ( V )

Osmium ¡deposiCon ¡

5 4 3 2 1 ρ ( kΩ / ! ) 40 20

• 20
• 40

Vg ( V ) ( kΩ / )

Osmium ¡deposiCon ¡

Osmium ¡deposiCon ¡

150 100 50 σ ( e

2 / h )

40 20

• 20
• 40

Vg ( V )

Many ¡thanks ¡to: ¡ ¡ Caltech ¡ ¡Jason ¡Alicea ¡ ¡Keith ¡Schwab ¡ ¡Johannes ¡Pollanen ¡ ¡Debaleena ¡Nandi ¡ ¡KC ¡Fong ¡ ¡Ari ¡Weinstein ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

The ¡end. ¡Thank ¡you! ¡

¡ ¡ Washington ¡University ¡ ¡Jordan ¡Russell ¡ ¡Nero ¡Zhou ¡ ¡Todd ¡Hardt ¡ ¡ ¡ Columbia ¡University ¡ ¡Cory ¡Dean ¡ ¡ Bard ¡College ¡ ¡Paul ¡Cadden-­‑Zimansky ¡ Measurements: ¡ ¡Chandni ¡U, ¡EAH, ¡J.P. ¡Eisenstein ¡at ¡Caltech ¡ ¡ ¡ ¡arxiv: ¡1503.04191 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Jamie ¡Elias, ¡EAH ¡at ¡Washington ¡University ¡