[論文レビュー] A Phenomenological Model for the Quantum Capacitance of Monolayer and Bilayer Graphene Devices

George S. Kliros|arXiv (Cornell University)|May 29, 2011

Graphene research and applications参考文献 18被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、電子・ホールプールと有限状態寿命を考慮するため、密度状態のガウス幅による平滑化を用いてフェルミエネルギーおよび温度依存性を組み込んだ、モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンデバイスの量子容量に関する現象論的モデルを提示する。このモデルは、電荷中性点付近における温度依存の最小値を含む、実験的量子容量の特徴を正確に再現し、グラフェンベースのナノエレクトロニクス素子設計のための単純かつ効果的なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Graphene nanostructures exhibit an intrinsic advantage in relation to the gate delay in three-terminal devices and provide additional benefits when operate in the quantum capacitance limit. In this paper, we developed a simple model that captures the Fermi energy and temperature dependence of the quantum capacitance for monolayer and bilayer graphene devices. Quantum capacitance is calculated from the broadened density of states taking into account electron-hole puddles and possible finite lifetime of electronic states through a Gaussian broadening distribution. The obtained results are in agreement with many features recently observed in quantum capacitance measurements on both gated monolayer and bilayer graphene devices. The temperature dependence of the minimum quantum capacitance around the charge neutrality point is also investigated.

研究の動機と目的

• モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンデバイスにおける量子容量の簡略化されたが正確なモデルの開発を目的とする。
• 電子・ホールプールおよび電子状態の有限寿命が量子容量に与える影響を組み込むことを目的とする。
• グラフェンナノ構造における量子容量のフェルミエネルギーおよび温度依存性を捉えることを目的とする。
• 電荷中性点付近での観測された量子容量の最小値およびその温度依存性を説明することを目的とする。
• ゲート付きグラフェンデバイスの実験測定と整合性のある現象論的フレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• モデルは、グラフェン内の不純物に起因する不均一性および電子状態の有限寿命を考慮するため、ガウス幅分布を用いる。
• 量子容量は、モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンの両方からの寄与を含む、幅広げられた密度状態から導出される。
• フェルミエネルギー依存性は、電気的ポテンシャルに関する密度状態の微分を用いて計算される。
• 温度依存性は、キャリア密度の計算にフェルミ・ディラック分布を用いることで組み込まれる。
• ゲート付きグラフェンデバイスにおける量子容量測定の実験的傾向に一致するように、モデルはキャリブレーションされる。
• 複雑な多体問題を解くのを避けるために、観測された物理的特徴への現象論的フィットを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンの量子容量は、フェルミエネルギーおよび温度にどのように依存するか？
• RQ2 電子・ホールプールおよび有限状態寿命は、量子容量にどのような役割を果たすか？
• RQ3 なぜ電荷中性点付近に量子容量の最小値が現れ、その温度依存性はどのように変化するか？
• RQ4 単純な現象論的モデルが、グラフェンデバイスにおける量子容量の本質的特徴を捉えることができるか？
• RQ5 ガウス幅によるアプローチは、実験的量子容量データをどれほど正確に再現できるか？

主な発見

• モデルは、モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンの両方において、実験的に観測された電荷中性点付近の量子容量最小値を成功裏に再現した。
• 最小量子容量の温度依存性もよく捉えられており、温度上昇に伴い幅が広がり、シフトすることが示された。
• 密度状態に対するガウス幅を組み込むことで、不純物および有限状態寿命の影響が考慮され、測定値との一致が向上した。
• モデルは、ゲート電圧に伴う量子容量の非単調な挙動を予測しており、観測データと整合的である。
• 結果から、量子容量は、現象論的フレームワークでさえも、多体効果および多体スクリーニングに強く依存することが確認された。
• 本モデルは、ab initio計算を要せず、グラフェンベースのフィールド効果デバイスにおける量子容量を予測するための信頼できるツールを提供する。