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石墨烯与第二类超导体及铁磁绝缘体间的磁近邻效应研究

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石墨烯是由单层碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢结构，是除了三维的金刚石、石墨和无定形碳，零维的富勒烯，以及一维的碳纳米管之外，碳元素的二维同素异形体。石墨烯的晶格结构是分别由不等价的A位原子和B位原子单独组成的两套三角格子组成的复式格子，其中A位原子和B位原子之间具有空间反演对称性，这使得石墨烯的能带结构中包含两套能量上简并，但是并不等价的能谷（K和K'），从而石墨烯中的电子具有额外的能谷自由度;石墨烯的价带和导带在K和K'点接触，从而载流子可为空穴或电子;在靠近K和K'点，石墨烯的能带色散关系是线性的，需要用狄拉克方程描述;电子的费米速度vF=106m/s，展现出相对论效应。总的来说，不同于传统半导体二维电子气，石墨烯是一种具有手性特征和相对论效应的狄拉克半金属。从而，石墨烯中展现出了许多独特的物理效应，如双极性输运、半整数量子霍尔效应和Klein隧穿等。
　　作为天然的二维材料，石墨烯因诸多优异的电、光、力、热性能，具有广泛的应用前景。但是，也有一些特征使得石墨烯的应用受到很大的限制，比如零能隙限制了其在场效应管方面的应用，没有本征的自旋极化的电子限制了其在磁电子学上的应用，极弱的本征自旋耦合限制了其在自旋电子学方面的应用等。因此，如何调控石墨烯的这些特征，是当下的研究热点。本论文基于这一目的，围绕衬底和石墨烯间的近邻效应，研究了以二类超导体NbSe2薄片作为衬底，以及以铁磁绝缘的EuS薄膜作为覆盖层对石墨烯的电磁输运性质的影响。本论文结构安排如下:
　　第一章，首先简要介绍了石墨烯的晶体结构、能带结构和制备方法。随后，简单介绍了石墨烯的一些基本电输运特性，以及和本论文相关的一些物理基础。第二章，简述了样品和器件的制备方法，以及器件的测量方法。主要包括二维材料的解理和定点转移技术，微纳加工技术，样品表征技术以及器件测量系统和测量方法。
　　第三章，我们构建了Graphene/Al2O3/NbSe2复合结构，研究了二类超导体NbSe2中的磁通涡旋线的动力学过程对石墨烯的量子输运的影响。当温度低于NbSe2的超导转变温度时，在低磁场范围，在石墨烯的纵向电阻率随磁场的变化曲线上，出现了非对称的磁致电阻率平台和磁滞行为。这一磁致电阻率平台和磁滞回线，来源于单晶NbSe2薄片边缘处的缺陷对磁通涡旋线的钉扎效应。
　　第四章，我们制备了EuS/Graphene复合结构，研究了铁磁绝缘体EuS对石墨烯电输运性质的影响。通过改善器件制备技术，包括低温(～80 K)下在石墨烯上沉积EuS，和采用对石墨烯无污染的电极制备方法，EuS/Graphene器件中载流子的迁移率在低温下高达～18000-26000 cm2V-1s-1，是普通石墨烯器件中的3～4倍。
　　第五章，我们通过非局域测量方法，分别研究了EuS/Graphene器件中的自旋轨道耦合作用和交换场。零磁场下，我们没有观测到基于自旋轨道耦合作用的自旋霍尔效应引起的的非局域信号，这说明在EuS和Graphene的复合结构中，石墨烯的自旋轨道耦合作用并没有被增强。而存在外加磁场时，我们观测到EuS/Graphene器件中的非局域信号要比BN/Graphene参照器件中的非局域信号更强，并且随磁场增长速度更快。基于Zeeman自旋霍尔效应理论，我们计算得到温度为1.5 K，外磁场为2.5T时，通过磁近邻效应在EuS/Graphene器件中的石墨烯中引入的交换场可达3T。

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