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QUICK REVIEW

[論文レビュー] Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids

Zachary J. Krebs, Wyatt A. Behn|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021
Surface and Thin Film Phenomena被引用数 4
ひとこと要約

本研究では、走査トンネル効果ポテンショメトリー（STP）を用いて、ナノスケール分解能でグラフェン内の準粒子の流れをイメージングし、非オーム的流れのプロファイルと狭いチャネルにおけるスーパー・ボールスティック伝導度を明らかにした。77 Kで、粘性電子流がボールスティック限界を超えており、測定された電子-電子散乱長は約100 nm、力学的粘性係数は約2.5×10³ cm²/sであり、グラフェンのフェルミ液体における流体力学的挙動が確認された。

ABSTRACT

The flow of charge carriers in materials can, under some circumstances, mimic the flow of viscous fluids. In order to visualize the consequences of such effects, new methodologies must be developed that can probe the quasiparticle flow profile with nm-scale resolution as the geometric parameters of the system are continuously evolved. In this work, scanning tunneling potentiometry (STP) is used to image quasiparticle flow around engineered electrostatic barriers in graphene/hBN heterostructures. Measurements are performed as electrostatic dams - defined by lateral pn-junction barriers - are broken within the graphene sheet, and carriers move through conduction channels with physical widths that vary continuously from pinch-off to um-scale. Local, STP measurements of the electrochemical potential allow for direct characterization of the evolving flow profile, which we compare to finite-element simulations of a Stokesian fluid with varying parameters. Our results reveal distinctly non-Ohmic flow profiles, with charge dipoles forming across barriers due to carrier scattering and accumulation on the upstream side, and depletion downstream. Conductance measurements of individual channels, meanwhile, reveal that at low temperatures the quasiparticle flow is ballistic, but as the temperature is raised there is a Knudsen-to-Gurzhi regime crossover where the fluid becomes viscous and the channel conductance exceeds the ballistic limit set by Sharvin conductance. These results provide a clear illustration of how carrier flow in a Fermi fluid evolves as a function of carrier density, channel width, and temperature. They also demonstrate how STP can be used to extract key parameters of quasiparticle transport, with a spatial resolution that exceeds that of other methods by orders of magnitude.

研究の動機と目的

  • チャネル幅などの幾何的パラメータを連続的に変化させながら、グラフェン内の準粒子の流れをナノスケールの空間分解能で可視化すること。
  • 温度とキャリア密度を変化させることで、ボールスティックから粘性電子流への遷移を調査すること。
  • 走査トンネル効果ポテンショメトリー（STP）が、他の手法と比較して優れた分解能で電気化学ポテンシャルプロファイルを直接測定可能であることを実証すること。
  • 実験的STPデータから、電子-電子散乱長や力学的粘性係数などの重要な流体力学的パラメータを抽出すること。
  • 有限要素法によるストークス流体モデルのシミュレーションを用いて、観測された流れのプロファイルを定量的に検証すること。

提案手法

  • 走査トンネル効果ポテンショメトリー（STP）を用いて、グラフェン上をサブ100 nmの空間分解能で局所的電気化学ポテンシャルをマップする。
  • STMチップからの電圧パulsesを用いて、イン・サイトで電界的バリア（p-nジャンクション）を形成し、可変の狭窄部および「電界的ダム」を形成する。
  • 本手法により、マイクロメータースケールからピンチオフに至るまで、チャネル幅を連続的に変化可能であり、流れの進化をリアルタイムで観察可能である。
  • 異なるパラメータ下での実験的流れのプロファイルと比較するため、ストークス流体モデルの有限要素シミュレーションを用いる。
  • 円形pnジャンクションにおける電荷密度および電位の理論的モデリングは、トーマス＝フェルミ近似下での連立方程式の自己無撞着解を用いる。
  • グラフェンのpnジャンクションにおける非線形スクリーニング効果を分析し、さまざまな長尺度で流体力学的モデリングの妥当性を評価する。
Figure 1: (A) Schematic of the STP experimental setup. $V_{sd}$ drives current in the sample while $V_{s}$ determines the difference between the sample and tip electrochemical potentials. The carrier density (and $E_{F}$ ) is globally modified through the use of an electrostatic gate electrode $V_{g
Figure 1: (A) Schematic of the STP experimental setup. $V_{sd}$ drives current in the sample while $V_{s}$ determines the difference between the sample and tip electrochemical potentials. The carrier density (and $E_{F}$ ) is globally modified through the use of an electrostatic gate electrode $V_{g

実験結果

リサーチクエスチョン

  • RQ1電界的ダムが破壊され、チャネル幅が連続的に変化する際、グラフェン内の準粒子の流れのプロファイルはどのように変化するか？
  • RQ2異なる温度で局所的電気化学ポテンシャル測定において、粘性輸送とボールスティック輸送の兆候はどのように現れるか？
  • RQ3STPは、グラフェンにおける流体力学的特徴（例えば、電荷双極子やスーパー・ボールスティック伝導度）をどの程度解像できるか？
  • RQ4グラフェンにおける電子-電子散乱長および力学的粘性係数は、理論的予測や他の実験的観測と比較してどうなるか？
  • RQ5ストークス流体の有限要素シミュレーションは、STPで測定されたポテンシャルプロファイルを定量的に再現できるか？

主な発見

  • 4.5 Kで、準粒子の流れはボールスティック的であり、チャネルの伝導度はシャーヴィン伝導度限界と一致しており、散乱が最小限であることを示している。
  • 77 Kで、チャネルの伝導度はボールスティック限界を超えており、粘性流に一致するスーパー・ボールスティックな挙動を示している。
  • 77 Kにおける電子-電子散乱長は約100 nmと測定され、強い多体相互作用を示している。
  • 電子流体の力学的粘性係数は約2.5×10³ cm²/sと推定され、粘性流体力学的輸送が確認された。
  • 上流でのキャリアの蓄積と下流での枯渇により、障害物の両側に電荷双極子が形成され、非オーム的流れの特徴的兆候である。
  • STP測定により、ナノスケールの空間分解能でポテンシャル勾配が解像され、他のスキャンプローブ技術と比較して数個のオーダー高い分解能を達成した。
Figure 2: (A) Topographic STM image of a 1 x 1 $\mu m$ area of graphene on hBN. Scale bars are 200 nm. (B) Simultaneously acquired STP image from the same area obtained with $I_{\text{sd}}$ = 190 $\mu$ A across a 30 $\mu m$ long sample that has an overall width of 15 $\mu m$ . The periodic texture o
Figure 2: (A) Topographic STM image of a 1 x 1 $\mu m$ area of graphene on hBN. Scale bars are 200 nm. (B) Simultaneously acquired STP image from the same area obtained with $I_{\text{sd}}$ = 190 $\mu$ A across a 30 $\mu m$ long sample that has an overall width of 15 $\mu m$ . The periodic texture o

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このレビューはAIが作成し、人間の編集者が確認しました。