[論文レビュー] Imaging the breakdown of ohmic transport in graphene

A. Jenkins, S. Baumann+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2020

Graphene research and applications被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、窒素空位（NV）センター磁気測定を用いて、グラフェンの狭窄部における電流の流れを直接像として得た。200 K未満の温度で、オーム則から粘性電子輸送への明確な遷移が観測された。電流の集中が端縁から中心へ移行する様子は、運動量保存型電子-電子散乱が支配する拡산的から流体力学的輸送への転移を確認し、低温における清浄なグラフェンにおける非オーム的挙動の直接的証明を提供する。

ABSTRACT

Ohm's law describes the proportionality of current density and electric field. In solid-state conductors, Ohm's law emerges due to electron scattering processes that relax the electrical current. Here, we use nitrogen-vacancy center magnetometry to directly image the local breakdown of Ohm's law in a narrow constriction fabricated in a high mobility graphene monolayer. Ohmic flow is visible at room temperature as current concentration on the constriction edges, with flow profiles entirely determined by sample geometry. However, as the temperature is lowered below 200 K, the current concentrates near the constriction center. The change in the flow pattern is consistent with a crossover from diffusive to viscous electron transport dominated by electron-electron scattering processes that do not relax current.

研究の動機と目的

• グラフェンにおけるナノスケールでのオーム則の局所的破綻を直接観測すること。
• 高移動度グラフェンデバイスにおけるオーム的、ボールスティック的、流体力学的輸送状態を区別すること。
• 電子-電子散乱によって駆動される拡散的から粘性輸送への遷移を調査すること。
• 低不純度・低密度グラフェンにおける電子-電子散乱が電流緩和を抑制する役割を解明すること。
• 空間的に分解能のある電流像を用いて、理論的予測されたグラフェンにおける電子流体力学的挙動を検証すること。

提案手法

• スキャン型窒素空位（NV）センター磁気測定を用いて、狭い狭窄部を持つグラフェンデバイス上部の局所的磁場をマッピングする。
• 測定された磁場シフトをビオ・サバールの法則を用いて電流密度プロファイルに変換し、下伏する電流の流れを再構築する。
• NVプローブはグラフェン上に固定された高さに配置され、有限のプローブサイズによる空間的ぼかしを考慮した補正が施されている。
• 温度（298 K から 100 K まで）とキャリア密度を変化させ、電子-電子散乱長と平均自由行程の相対的関係を調整する。
• スリット型とチャネル型の2つの幾何形状を用い、境界散乱への感受性を比較し、流体力学的特徴を分離する。
• パラメータフリーのオームモデルを用いて電流プロファイルをシミュレーションし、実験データと比較することで、観測された輸送状態の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度を低下させると、グラフェンの狭窄部における電流の流れが端縁に局在する（オーム的）から中心に局在する（粘性的）へと変化するか？
• RQ2 NV磁気測定は、高移動度グラフェンデバイスにおけるオーム則の局所的破綻を解像できるか？
• RQ3 電子-電子散乱は、電流緩和を抑制し、流体力学的輸送を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 境界散乱と端縁効果は、異なるデバイス幾何形状における電流の流れにどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測された遷移は、運動量保存型電子-電子衝突が支配する拡散的から粘性的輸送への遷移と整合的か？

主な発見

• 室温およびチャージ中性点付近では、電流密度が狭窄部の縁近くで二重ピーク構造を示し、オーム的輸送と整合的である。
• 200 K未満に温度を低下させると、電流密度プロファイルが二重ピークから中心集中型に変化し、粘性流への遷移を示している。
• 100 Kでの観測プロファイルは、ポアウエイユ型の粘性流に類似した放物線的形状を示し、電流が狭窄部の中心に集中している。
• この遷移は複数のデバイスで再現可能であり、スリット型幾何形状ではオーム的から粘性的への遷移の明確で曇りのない特徴が観測された。
• チャネル型幾何形状では、温度やキャリア密度の変化に対して敏感でない丸みを帯びたプロファイルを示し、境界に起因する散乱が強いため、流体力学的遷移を解像するには不適切であると考えられる。
• 本結果は、電子-電子散乱長が平均自由行程よりも短い衝突支配領域におけるグラフェンの電子流体力学的挙動の直接的実験的証明を提供する。