[論文レビュー] Asymmetric scattering of Dirac electrons and holes in graphene

Atikur Rahman, Janice Wynn Guikema+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2013

Graphene research and applications参考文献 36被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、グラフェンのpnジャンクションにおける量子干渉ノイズが、短距離不純物による相対論的電子とホールの散乱が異なるため、デルアック点を中心に非対称であることが明らかになった。電導度とは異なり、ノイズ測定は位相一貫性のある散乱過程を直接プローブする。ノイズの最小値が真の電荷中性点を示しており、STMや電導度とは補完的な方法として、グラフェンにおけるディラックフェルミオン散乱を研究する手段を提供する。

ABSTRACT

The relativistic nature of Dirac electrons and holes in graphene profoundly affects the way they interact with impurities. Signatures of the relativistic behavior have been observed recently in scanning tunneling measurements on individual impurities, but the conductance measurements in this regime are typically dominated by electron and hole puddles. Here we present measurements of quantum interference noise and magnetoresistance in graphene pn junctions. Unlike the conductance, the quantum interference noise can provide access to the scattering at the Dirac point:it is sensitive to the motion of a single impurity, it depends strongly on the fundamental symmetries that describe the system and it is determined by the phase-coherent phenomena which are not necessarily obscured by the puddles. The temperature and the carrier density dependence of resistance fluctuations and magnetoresistance in graphene p-n junctions at low temperatures suggest that the noise is dominated by the quantum interference due to scattering on impurities and that the noise minimum could be used to determine the point where the average carrier density is zero. At larger carrier densities, the amplitude of the noise depends strongly on the sign of the impurity charge, reflecting the fact that the electrons and the holes are scattered by the impurity potential in an asymmetric manner.

研究の動機と目的

• デルアック点近くにおけるグラフェンpnジャンクションにおける量子干渉ノイズの性質を調査すること。
• 特に最小電導度領域において、ノイズが短距離不純物か長距離不純物によって支配されているかを特定すること。
• 不純物が存在するグラフェンにおける電導度最小値と真の電荷中性点の不一致を解明すること。
• 量子干渉ノイズを、電導度やSTMと補完的な手法として、相対論的ディラックフェルミオン散乱を研究するためのプローブとして確立すること。

提案手法

• 250 mKで二重バックゲート付き単層グラフェンデバイスにおいて、低周波数抵抗ノイズおよび磁気抵抗測定を実施する。
• 接触効果を最小限に抑えるために4プローブ配置を用い、内在的な輸送特性を分離する。
• バックゲートおよびトップゲートの独立した電圧を印加して、電子およびホール密度を調整し、p-n-pおよびn-p-nジャンクションを形成する。
• ノイズ電力および抵抗のフラクチュエーションの温度およびゲート電圧依存性を分析し、静的不純物と動的不純物の寄与を区別する。
• 擬拡散輸送およびディラック系における弱局在の理論モデルとノイズ挙動を比較する。
• 短距離散乱子に関するSTMデータとノイズの非対称性を相関づけ、短距離不純物の役割を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンにおける量子干渉ノイズは、デルアック点近くでのキャリア密度の調整に対して、電導度とどのように異なる応答を示すか？
• RQ2 不純物が存在するグラフェンにおいて、量子干渉ノイズを支配するのは短距離不純物か、長距離不純物か？
• RQ3 なぜノイズの最小値と電導度の最大値が一致しないのか？これは真の電荷中性点について何を示唆するか？
• RQ4 グラフェンにおけるディラックフェルミオンの相対論的性質は、電子とホールの散乱の非対称性をどのように生じさせるか？
• RQ5 量子干渉ノイズは、不純物が存在するグラフェンにおいて真の電荷中性点を特定するための信頼できるプローブとして利用可能か？

主な発見

• 量子干渉ノイズは、ゲート電圧に対して非単調的かつ非対称な依存性を示し、最小値が最大抵抗と一致しないことから、明確に異なる物理的起源を持つことが示された。
• ノイズの最小値が、電導度の最小値ではなく、平均キャリア密度がゼロとなる真の電荷中性点を示している。
• ノイズは短距離不純物による散乱によって支配されており、電子プールにおける短距離散乱子のSTM観察と整合的である。
• ゲート電圧に対するノイズの非対称性は、同じ短距離ポテンシャルによる電子とホールの異なる散乱断面積を反映しており、相対論的ディラックフェルミオンの挙動の特徴である。
• 高キャリア密度領域でも負の磁気抵抗が維持され、低温でノイズおよび抵抗が増加することと相関しており、短距離不純物散乱が共通の起源であることを支持する。
• 温度依存性において、ノイズは不純物フラクチュエーションが減少するにもかかわらず低温で増加することから、古典的熱雑音ではなく、位相一貫性のある量子干渉に起因することが確認された。