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

Transport ¡in ¡adatom-­‑decorated ¡graphene ¡ Erik ¡Henriksen ¡ Jamie ¡Elias ¡ Chandni ¡U ¡ (and ¡EAH) ¡ & ¡J.P. ¡Eisenstein ¡

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. 5 d ¡atoms ¡on ¡graphene ¡(Wash. ¡U.) ¡ ¡ ¡2 nd ¡generaCon ¡apparatus ¡ ¡ ¡iniCal ¡findings ¡ ¡

Graphene ¡ E ¡ k y ¡ K ¡ K ’ ¡ k x ¡

Graphene ¡

Graphene ¡ B D C Wang ¡ et ¡al. , ¡Science ¡ 342 , ¡614 ¡(2013) ¡

Graphene ¡

DeposiCon ¡of ¡ K ¡atoms ¡ 60 Doping time 0 s 6 s 12 s 40 18 s σ ¡( ¡e 2 /h ¡) ¡ ( e 2 / h ) σ 20 0 –80 –60 –40 –20 0 20 V g ¡ V g (V) Chen ¡ et ¡al ., ¡Nature ¡Phys ¡ 4 , ¡377 ¡(2008) ¡ ¡ also ¡Yan ¡& ¡Fuhrer, ¡PRL ¡ 107 , ¡206601 ¡(2011) ¡

AdsorpCon ¡of ¡molecules ¡ b 4 NH 3 2 2 Δρ/ρ ¡(%) ¡ σ ¡( ¡kΩ -­‑1 ¡) ¡ ∆ / (%) σ (k Ω –1 ) CO ρ ρ 0 H 2 O 1 –2 I II III IV –4 NO 2 0 ~ ~ –40 –20 0 20 40 0 500 1,000 V g (V) V g ¡ t (s) Cme ¡(s) ¡ Schedin ¡ et ¡al ., ¡Nature ¡Materials ¡ 6 , ¡652 ¡(2007) ¡

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

Graphene ¡topological ¡insulator ¡ Kane ¡& ¡Mele, ¡Phys. ¡Rev. ¡Leg. ¡ 95 , ¡226801 ¡(2005) ¡ @ A @ 0 1 0 1 ∆ SO 0 k x − ik y k x − ik y H = ~ ˜ c H = ~ ˜ c @ A @ A k x + ik y − ∆ SO k x + ik y 0 0 1 E ¡ E ¡ q c | k | ) 2 + ∆ 2 E = ~ ˜ c | k | E SO = ( ~ ˜ k y ¡ SO k y ¡ k x ¡ k x ¡

Graphene ¡topological ¡insulator ¡ Kane ¡& ¡Mele, ¡Phys. ¡Rev. ¡Leg. ¡ 95 , ¡226801 ¡(2005) ¡ @ A 0 1 ∆ SO k x − ik y H = ~ ˜ c @ A k x + ik y − ∆ SO 1 E/t E ¡ 0 X q c | k | ) 2 + ∆ 2 E SO = ( ~ ˜ SO k y ¡ -1 0 π /a 2 π /a k k x ¡ X

Topological ¡insulators ¡ 2D ¡ 3D ¡ a b k = (0.8, k y , 2.9) = L ± δ k y G = 0.01 e 2 /h 20 0.1 T = 0.03 K 10 7 2 15 G = 2 e 2 /h k y R 14,23 / k Ω 10 0.0 SS T = 30 mK 10 6 L T = 1.8 K 5 R 14,23 / Ω k x –0.1 0 – 1.0 – 0.5 0.0 0.5 1.0 10 5 (V g – V thr ) / V E B (eV) G = 0.3 e 2 /h –0.2 10 4 G = 2 e 2 /h –0.3 10 3 –0.4 – 1.0 – 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 (V g – V thr ) / V König ¡ et ¡al ., ¡Science ¡ 318 , ¡766 ¡(2007) ¡ –0.5 –0.2 0.0 0.2 k y (Å –1 ) Hsieh ¡ et ¡al ., ¡Nature ¡ 452 , ¡970 ¡(2008) ¡

Graphene ¡topological ¡insulator ¡ Weeks ¡ et ¡al. , ¡PRX ¡ 1 , ¡021001 ¡(2011) ¡ indium ¡ ¡ 7 meV 7 ¡meV ¡gap ¡ 0 2 4 Γ M K Γ 0 4 8 thallium ¡ ¡ 21 meV 21 ¡meV ¡gap ¡ 6 Γ M K Γ 0 3 6

Graphene ¡topological ¡insulator ¡ with ¡5 d ¡ atoms ¡e.g. ¡osmium ¡ (a) (c) Weeks ¡ et ¡al. , ¡PRX ¡ 1 , ¡021001 ¡(2011) ¡ 2 0.3 Hu ¡ et ¡al. , ¡PRL ¡ 109 , ¡266801 ¡(2012) ¡ ¡ Os 1 0.2 Cu-Os Energy (eV) (eV) 0 ∆ SO 0.1 -1 -2 0 M K 8 0 1 2 3 4 5 6 7 Coverage (%)

Outline ¡ I. ¡MoCvaCon ¡ ¡topological ¡physics ¡from ¡adatoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ II. ¡Indium ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡experimental ¡apparatus ¡for ¡ in ¡situ ¡ deposi.on ¡ ¡results ¡ ¡ ¡ III. 5 d ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ ¡2 nd ¡generaCon ¡apparatus ¡ ¡ ¡iniCal ¡findings ¡ ¡

In ¡situ ¡evaporaCon ¡

EvaporaCon ¡sources ¡

Indium ¡deposiCon ¡

Indium ¡deposiCon ¡ Δn ¡≈ ¡4 ¡x ¡10 12 ¡cm -­‑2 ¡

Indium ¡deposiCon ¡

Indium ¡deposiCon ¡ 450 0 400 0.5 300 G ( mS ) T ( K ) 1.0 200 1.5 100 -60 -40 -20 0 20 40 60 V g ( V )

Indium ¡deposiCon ¡ as made 0.08% In coverage 0.20% In coverage 100 T = 12 K 2 / h ) σ ( e 50 0 -50 0 50 V g ( V )

Magnetoresistance ¡ 2 as made 0.5 0.08% In 1 1 / ne R H ( k Ω / T ) – 0.08% In 0 Δρ / ρ 0 0 solid – as made -0.5 dashed – 0.08% In -1 12 cm –2 n = 1.4 x 10 -2 -1.0 0 2 4 6 8 -2 -1 0 1 2 B ( T ) -12 cm -2 ) density ( 10

Magnetoresistance ¡ as made st In evap 1 0.6 0.6 Δρ / ρ 0 Δρ / ρ 0 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 B ( T ) B ( T ) 0 electron-­‑hole ¡puddle ¡ ± 0.7 transport ¡in ¡EMA? ¡ 12 cm –2 ): ± 1.4 n ( 10 ¡ ± 2.8 Stroud ¡PRB ¡ 71 , ¡201304 ¡ ± 4.2 Das ¡Sarma ¡PRB ¡ 79 , ¡245423 ¡ ± 5.6

Weak ¡localizaCon ¡ a) 1.0 Clean sample 12 K 2 /h) Δσ (e 0.5 50 K 0 b) Adding indium 1.0 clean 2 /h) Δσ (e 0.5 with In with more In 0 c) 1.0 In-decorated sample 2 /h) 12 K Δσ (e 0.5 50 K 0 -50 0 50 B (mT)

Weak ¡localizaCon ¡ modified ¡fit ¡based ¡on ¡McCann ¡ et ¡al ., ¡PRL ¡ 97 , ¡146805 ¡(2006): ¡ a) 1.0 Clean sample 12 K ∆ � = e 2 ⇡ h [ F ( B B B 2 /h) ) − F ( ) − 2 F ( )] Δσ (e B φ B φ + 2 B i B φ + B i 0.5 F ( z ) = ln( z ) + (1 2 + 1 ~ 4 De ⌧ − 1 z ) , B φ ,i = ( φ ,i 50 K 0 limit ¡to ¡fit: ¡ l 2 µ < l 2 b) B Adding indium 1.0 0.8 clean 2 /h) a) clean Δσ (e 0.5 with In 0.6 with more In 2 /h) 0 0.4 Δσ (e c) 1.0 In-decorated sample with indium 0.2 2 /h) 12 K Δσ (e 0.5 0 -20 -10 0 10 20 50 K 0 B (mT) -50 0 50 B (mT)

Weak ¡localizaCon ¡ modified ¡fit ¡based ¡on ¡McCann ¡ et ¡al ., ¡PRL ¡ 97 , ¡146805 ¡(2006): ¡ ∆ � = e 2 ⇡ h [ F ( B B B ) − F ( ) − 2 F ( )] B φ B φ + 2 B i B φ + B i F ( z ) = ln( z ) + (1 2 + 1 ~ 4 De ⌧ − 1 z ) , B φ ,i = ( φ ,i B (mT) limit ¡to ¡fit: ¡ l 2 µ < l 2 B b) 0.8 -11 a) 10 clean τ φ Scattering time (sec) 0.6 2 /h) -12 10 0.4 Δσ (e τ i with indium 0.2 τ µ -13 10 0 -20 -10 0 10 20 15 20 25 30 B (mT) Temperature (K)

Outline ¡ I. ¡MoCvaCon ¡ ¡topological ¡physics ¡from ¡adatoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ II. ¡Indium ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡experimental ¡apparatus ¡for ¡ in ¡situ ¡ deposiCon ¡ ¡results ¡ ¡ ¡ III. 5 d ¡atoms ¡on ¡graphene ¡ ¡ ¡ ¡2 nd ¡genera.on ¡apparatus ¡ ¡ ¡ini.al ¡findings ¡ ¡

2 nd ¡generaCon ¡evaporator ¡

Osmium ¡evaporaCon ¡sources ¡ tungsten ¡ annealed ¡tungsten ¡ coated ¡with ¡osmium ¡

g-­‑BN ¡devices ¡ 5 4 ρ ( k Ω / ! ) 3 2 1 0 40 -40 -20 0 20 40 V g ( V )

Osmium ¡deposiCon ¡ 5 4 ρ ( k Ω / ! ) 3 2 1 0 -40 -20 0 20 40 V g ( V )

Osmium ¡deposiCon ¡ 5 4 ρ ( k Ω / ! ) 3 2 1 0 40 -40 -20 0 20 40 V g ( V )

Osmium ¡deposiCon ¡ 5 4 ρ ( k Ω / ! ) ) 3 ( k Ω / 2 1 0 -40 -20 0 20 40 V g ( V )

Osmium ¡deposiCon ¡ 150 2 / h ) 100 σ ( e 50 0 -40 -20 0 20 40 V g ( V )

The ¡end. ¡ Thank ¡you! ¡ Measurements: ¡ ¡Chandni ¡U, ¡EAH, ¡J.P. ¡Eisenstein ¡at ¡Caltech ¡ ¡ ¡ ¡arxiv: ¡1503.04191 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Jamie ¡Elias, ¡EAH ¡at ¡Washington ¡University ¡ Many ¡thanks ¡to: ¡ ¡ ¡ ¡ Caltech ¡ Washington ¡University ¡ ¡Jason ¡Alicea ¡ ¡Jordan ¡Russell ¡ ¡Keith ¡Schwab ¡ ¡Nero ¡Zhou ¡ ¡Johannes ¡Pollanen ¡ ¡Todd ¡Hardt ¡ ¡Debaleena ¡Nandi ¡ ¡ ¡ ¡KC ¡Fong ¡ Columbia ¡University ¡ ¡Ari ¡Weinstein ¡ ¡Cory ¡Dean ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Bard ¡College ¡ ¡Paul ¡Cadden-­‑Zimansky ¡