金属-石墨烯界面的静电学：面向电子光学应用的尖锐 p-n 结

在石墨烯器件中制备横向尖锐 p-n 结，其过渡宽度远小于石墨烯载流子的费米波长，对于研究和利用这些电子系统以实现电子光学应用至关重要。然而，由于横向 p-n 结中存在显著的面外电场导致大宽度，此类结的实现并非易事。金属-石墨烯界面代表一种新颖、有前景且易于实现的技術，用于在石墨烯场效应器件中构建此类尖锐横向 p-n 结，与通过传统局域栅极获得的宽得多的（即平缓的）结形成鲜明对比。本工作中，我们针对电子光学应用中栅极石墨烯器件里金属诱导横向 p-n 结的静电问题给出系统而稳健的研究，该系统中所制结的宽度不仅由所用金属决定，还依赖于器件几何结构、介电环境以及载流子密度与温度等不同工作参数等外部因素。我们的计算表明，在低相对介电常数介电介质包围的器件中，室温下可通过金属-石墨烯界面实现尖锐结。此外，我们展示了金属与石墨烯间分离距离及其间隙介电常数等具体细节在定义 p-n 结时的关键作用，不仅决定其宽度 w，也决定金属下方石墨烯的能量偏移。这些结果可推广至任何因金属团簇存在而掺杂的二维(2D)电子系统，因而对理解金属与其他 2D 材料间的界面具有意义。