[論文レビュー] Measurement of the electronic thermal conductance channels and heat capacity of graphene at low temperature

Kin Chung Fong, Emma E. Wollman+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2013

Graphene research and applications参考文献 45被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、超感度マイクロ波ノイズ熱力学と電気的ドーピングを用いて、低温度におけるグラフェンの電子的熱伝導度および比熱を測定した。電子-フォノン結合が高ドーピングでT²のべき乗則に従うことを実証し、不純物が結合を強化することを確認した。また、Wiedemann-Franz法則の予測より32%高いLorenz数を観測し、2次元ディラックフェルミオンにおける非フェルミ液体的挙動を示した。

ABSTRACT

The ability to transport energy is a fundamental property of the two-dimensional Dirac fermions in graphene. Electronic thermal transport in this system is relatively unexplored and is expected to show unique fundamental properties and to play an important role in future applications of graphene, including opto-electronics, plasmonics, and ultra-sensitive bolometry. Here we present measurements of bipolar, electron-diffusion and electron-phonon thermal conductances, and infer the electronic specific heat, with a minimum value of 10 $k_{ m{B}}$ ($10^{-22}$ JK$^{-1}$) per square micron. We test the validity of the Wiedemann-Franz law and find the Lorenz number equals $1.32 imes(π^2/3)(k_{ m{B}}/e)^2$. The electron-phonon thermal conductance has a temperature power law $T^2$ at high doping levels, and the coupling parameter is consistent with recent theory, indicating its enhancement by impurity scattering. We demonstrate control of the thermal conductance by electrical gating and by suppressing the diffusion channel using superconducting electrodes, which sets the stage for future graphene-based single microwave photon detection.

研究の動機と目的

• 300 mKから100 Kの温度範囲で、グラフェンの電子的熱伝導度および比熱を測定すること。
• 2次元ディラックフェルミオンにおけるWiedemann-Franz法則の妥当性を検証し、Lorenz数を測定すること。
• 電子-フォノン結合および拡散熱伝導度の温度およびドーピング依存性を調査すること。
• 電気的ドーピングおよび超伝導電極による熱輸送チャネルの制御を実証すること。
• 将来の単一マイクロ波光子検出および超感度ボロメトリの応用を可能にすること。

提案手法

• スピン温度の測定に2 mK/√Hzの感度を持つ超感度マイクロ波周波数ジョンソンノイズ熱力学を用い、浮遊グラフェンデバイスにおける電子温度を測定した。
• ジュール加熱を施し、熱応答を測定することで、電子拡散（G_wf）および電子-フォノン結合（G_ep）チャネルを通した熱伝導度を抽出した。
• 通常金属および超伝導体（NbTiN）電極を用いた3種類の異なるデバイス構成を採用し、熱輸送メカニズムを分離した。
• 熱伝導度データをべき乗則（T、T²、T^δ−1）にフィットさせ、温度依存性および結合パラメータを抽出した。
• Wiedemann-Franz法則を用いてG_wfから電子比熱を計算し、G_wf = αL_meas T / Rの式からLorenz数を抽出した。
• 電子移動度およびフェルミエネルギーを用いて平均自由行程および不純物温度を推定し、不純物グラフェンにおける電子-フォノン結合の理論モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温度におけるグラフェンの電子-フォノン熱伝導度は、温度およびキャリア密度にどのように依存するか？
• RQ2 電子的不純物がグラフェンにおける電子-フォノン結合をどの程度強化するか、またその影響が観測されたべき乗則依存性にどのように現れるか？
• RQ3 グラフェンにおけるLorenz数の測定値は何か？ また、Wiedemann-Franz法則の予測値と比較するとどうなるか？
• RQ4 熱伝導度を用いてグラフェンの電子比熱を直接測定できるか？ 低温度における最小値は何か？
• RQ5 超伝導電極および電気的ドーピングを用いて、熱拡散を抑制し、グラフェンにおける熱輸送をどのように制御できるか？

主な発見

• グラフェンの電子比熱は300 mKで10 × 10⁻²² J/K（10 k_B）/μm²に達し、過去の記録より9倍も小さい最小値を示した。
• 測定されたLorenz数は1.32 × (π²/3)(k_B/e)²であり、Wiedemann-Franz法則の予測値より32%高い。これは、標準的フェルミ液体挙動からの逸脱を示唆している。
• 高ドーピング領域では、電子-フォノン熱伝導度がT²のべき乗則に従い、不純物散乱による増幅を予測する最近の理論と整合した。
• 電子-フォノン結合パラメータΣ_epはキャリア密度に比例し、不純物が支配する極限におけるスカラー結合メカニズムと整合した。
• 電気的ドーピングおよび超伝導電極による拡散チャネルの抑制により、熱伝導度が制御可能であり、将来的に単一マイクロ波光子検出器への応用が可能である。
• 電子-フォノン冷却から電子拡散冷却への遷移は約1 Kで発生し、T²とTの異なる温度依存性により、明確なチャネル分離が可能となった。