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大角度转角双层石墨烯中的电子-声子相互作用和电子输运
出处:科研任我行  录入日期:2024-06-24  点击数:266

  2024年5月22日,Phys. Rev. Mater.在线发表了加州理工学院Marco Bernardi课题组的研究论文,题目为《First-principles electron-phonon interactions and electronic transport in large-angle twisted bilayer graphene》,论文的第一作者为Shiyuan Gao。


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  石墨烯中的电子输运是一个内容丰富的课题。理论表明,石墨烯中的载流子迁移率受到声学声子的限制,然后重点研究了双层石墨烯和弯曲声子的作用。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算也被用于研究石墨烯中的声子限制输运,最初使用形变势近似,后来使用第一性原理电子-声子(e-ph)相互作用,它考虑了所有声子模式和电子态的平等基础,从而实现定量预测。
  由于在魔角附近出现了关联的绝缘态和超导态,转角双层石墨烯(tBLG)引起了人们的极大兴趣。虽然这些相的起源仍有争议,但e-ph相互作用被认为在tBLG的丰富物理中发挥着重要作用。理论工作集中在tBLG中e-ph相互作用和声子限制电阻率的解析和紧束缚模型上。还使用紧束缚和连续介质模型研究了晶格弛豫对tBLG电子结构的影响。然而,由于大的晶胞尺寸,特别是在小转角下,tBLG中e-ph相互作用的显式第一性原理计算仍然令人望而却步。
  在此研究中,作者展示了在13.2度和21.8度大转角的相应tBLG中e-ph相互作用和电阻率的第一性原理计算。这些计算克服了关键的技术障碍,包括高达76个原子的大晶胞、e-ph相互作用的布里渊区折叠以及由于AA堆叠畴引起的不稳定晶格振动。研究发现,层呼吸声子引起的e-ph相互作用增强了大角度tBLG中的谷间散射。这种相互作用有效耦合了两层,否则这两层在如此大的转角下是电子解耦的。结果显示,tBLG中的声子限制电阻率在魔角附近偏离单层石墨烯和tBLG的温度线性趋势特性。总之,这项研究工作量化了tBLG中的e-ph相互作用和散射机制,揭示了大转角下的微妙层间耦合效应。


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  图1 (a) 21.8° tBLG的晶体结构和布里渊区;(b) 在30 K时使用TDEP和DFPT计算21.8° tBLG的低能声子色散



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  图2 (a) 在30 K时使用TDEP计算21.8° tBLG的声子色散;(b) Γ点附近的低能声子色散;(c) e-ph耦合强度|gv(q)|与声子波矢q的关系


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  图3 电子-声子散射率随电子能量的变化


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  图4 (a) 转角分别为21.8°和13.2°的MLG和大角度tBLG的声子限制电阻率随温度变化;(b) MLG和tBLG之间的电阻率比随温度的变化;(c) 21.8° tBLG中控制谷间散射的LB声子模式的原子位移图;(d-f) 三种温度下21.8° tBLG的电子-声子散射率与载流子能量的关系
  【论文链接】
  Gao, S., Zhou, J., Luo, Y. et al. First-principles electron-phonon interactions and electronic transport in large-angle twisted bilayer graphene. Phys. Rev. Mater., 2024, 8, L051001.
  【其他相关文献】
  [1] Ray, N., Fleischmann, M., Weckbecker, D. et al. Electron-phonon scattering and in-plane electric conductivity in twisted bilayer graphene, Phys. Rev. B, 2016, 94, 245403.
  [2] Choi, Y.W. & Choi, H.J. Strong electron-phonon coupling, electron-hole asymmetry, and nonadiabaticity in magic-angle twisted bilayer graphene. Phys. Rev. B, 2018, 98, 241412(R).

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