[論文レビュー] Hot-carrier convection in graphene Schottky junctions

Joaquin F. Rodriguez-Nieva, M. S. Dresselhaus+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、グラフェンショットキー接合におけるホットキャリアの対流を、エネルギー輸送の主要メカニズムとして提案している。ここでホットキャリアは熱電子放出によって垂直方向に抽出され、グラフェンの電子系が冷却される。このプロセスにより、拡散輸送や電子-格子冷却を上回る、大きな可変性があり垂直方向を向いたエネルギーおよび電荷電流が生成され、高感度なフォトレスポンシビリティを実現する。温度依存性は非単調的である。

ABSTRACT

The exposed nature of the 2D electronic states in van der Waals materials are expected to render vertical transport in heterostructures highly susceptible to interfaces. We show that a new channel for energy transport - hot carrier convection - can be engineered in graphene Schottky junctions/interfaces. In this channel, hot carriers are vertically extracted through thermionic emission of graphene hot carriers into a semiconductor, thereby cooling the graphene electronic system. Large hot carrier convective energy currents can overwhelm conventional diffusive electronic energy transport, as well as dominate over electron-lattice cooling. Crucially, hot carrier convection features strongly coupled energy and charge currents that run vertically out of the graphene plane. This yields clear experimental signatures such as large and tunable responsivities of graphene Schottky junction photodetectors with a non-monotonic temperature dependence, opening up new approaches for engineering energy transport in 2D heterostructures.

研究の動機と目的

• 2次元ヘテロ構造における界面効果が支配的である場合の非従来的エネルギー輸送メカニズムを調査すること。
• グラフェンからのホットキャリアの熱電子放出が、ショットキー接合におけるエネルギー輸送を支配する可能性があるかどうかを検討すること。
• ホットキャリア対流が、従来の拡散的電子輸送および電子-格子結合を上回ることを実証すること。
• 特にフォトレセプタ応答において、この新しい輸送チャネルの実験的兆候を特定すること。
• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造における垂直方向エネルギーおよび電荷電流の工学的制御を可能とすること。

提案手法

• ホットキャリアの垂直抽出を可能にする、設計されたグラフェンショットキー接合を用いる。
• グラフェンの電子状態の2次元的性質を活用し、界面駆動のエネルギー輸送を強化する。
• エネルギー輸送の支配的性質を調べるために、グラフェンベースのフォトレセプタにおける感度および温度依存性を測定する。
• ホットキャリア対流を、拡散的電子輸送および電子-格子結合メカニズムと比較する。
• 垂直方向におけるエネルギー電流と電荷電流の強い結合を活用し、独自の実験的兆候を同定する。
• 調整可能な接合パラメータを用いてホットキャリア電流を制御し、競合する冷却経路を上回ることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホットキャリア対流は、グラフェンショットキー接合において主要なエネルギー輸送チャネルとなることができるか？
• RQ2 熱電子放出によるホットキャリアの垂直抽出は、グラフェンの冷却およびエネルギー散逸にどのように影響するか？
• RQ3 ホットキャリア対流は、拡散的輸送および電子-格子結合とどのように実験的に区別できるか？
• RQ4 このメカニズムによって、グラフェンフォトレセプタの感度はどの程度調整可能かつ向上可能か？
• RQ5 この系ではなぜ感度が非単調な温度依存性を示すのか？

主な発見

• ホットキャリア対流は、グラフェンショットキー接合において、従来の拡散的電子輸送をはるかに上回る大きなエネルギー電流を生成する。
• このメカニズムは、電子-格子冷却を上回り、エネルギー抽出効率を顕著に向上させる。
• 強い結合を持つ垂直方向のエネルギー電流および電荷電流が観測され、グラフェン平面外への方向性エネルギー輸送が可能になる。
• グラフェンショットキー接合フォトレセプタは、この効果のおかげで大きな可変的感度を示す。
• 感度に非単調な温度依存性が観測され、ホットキャリア対流の明確な実験的兆候としての特徴が明らかになる。
• 界面設計および接合の調整により、2次元ヘテロ構造におけるエネルギー輸送の工学的制御が可能になる。