In graphene, the linear dispersion and zero-gap band structure admit highly transparent n$-$p junctions due to simple electrostatic gating. The transparent ballistic n$-$p junctions of graphene with electrostatic gates have been known to exhibit negative refractive behavior. In this work, the focusing of an electron beam by using a single n$-$p junction with an additional ferromagnetic gate in graphene is theoretically studied. The additional use of the ferromagnetic gate in the p-type region is found to provide a step-like magnetic barrier in the applied region and leads to an up-and-down movement of the focal point of the beam. Thus, position control of the focal point of the focused beam is now possible either up-and-down through the magnetic potential or right-and-left through the electrostatic potential applied in the gate. Our results pave the way for realizing electron optics based on graphene n$-$p junctions.

Keywords: Focusing, Electron beam, Graphene, Ferromagnetic gate

그래핀에서는 선형적인 분산과 갭이 없는 띠구조로 인해 간단한 전기적인 게이트에 의해 아주 투명한 n$-$p 접합이 가능하다. 그래핀에서의 투명하고 탄동적인 n$-$p 접합구조는 전기적 게이트의 조절에 의해 음의 굴절을 보이는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 그래핀에 형성된 강자성 게이트를 추가한 n$-$p 접합 구조에서 일어나는 전자빔의 초점 조정에 대해 이론적으로 공부하였다. 이를 통해 우리는 이 구조 위에 강자성 게이트를 p-타입 그래핀에 추가하면 스텝과 같은 자기적 장벽을 도입할 수 있고 이로 인해 초점의 위치를 위 아래로 변화시킬 수 있음을 발견하였다. 따라서 전자빔의 초점의 위치를 자기 퍼텐셜을 이용해 위 아래로 변화시키고, 전기 퍼텐셜을 이용해 좌우로 변화시키는 방법을 통해 상하좌우로의 조정이 가능하게 되었다. 우리의 결과는 그래핀 n$-$p 접합에 기반한 전자광학을 실현시키는 길을 열어줄 것이다.

Keywords: 초점, 전자빔, 그래핀, 강자성 게이트