[論文レビュー] Strong magnetoresistance in a graphene Corbino disk at low magnetic fields

Masahiro Kamada, Vanessa Gall+5 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Graphene research and applications参考文献 49被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、低磁場（≤0.15 T）における懸濁グラフェン・コルビーノディスクで、4000B²%に達する超高い磁気抵抗が示された。これは、内在的量子輸送効果に起因するもので、長距離クーロン散乱と不純物の磁場依存的スクリーニングが支配的である。4 Kにおける磁場感度は60 nT/√Hzに達し、高感度磁場センシングおよびグラフェンの内在的特性評価に最適である。

ABSTRACT

We have measured magnetoresistance of suspended graphene in the Corbino geometry at magnetic fields up to $B=0.15\,$T, i.e., in a regime uninfluenced by Shubnikov-de Haas oscillations. The low-temperature relative magnetotoresistance $[R(B)-R(0)]/R(0)$ amounts to $4000 B^2\% $ at the Dirac point ($B$ in Tesla), with a quite weak temperature dependence below $30\,$K. A decrease in the relative magnetoresistance by a factor of two is found when charge carrier density is increased to $|n| \simeq 3 imes 10^{-10}$ cm$^{-2}$. The gate dependence of the magnetoresistance allows us to characterize the role of scattering on long-range (Coulomb impurities, ripples) and short-range potential, as well as to separate the bulk resistance from the contact one. Furthermore, we find a shift in the position of the charge neutrality point with increasing magnetic field, which suggests that magnetic field changes the screening of Coulomb impurities around the Dirac point. The current noise of our device amounts to $10^{-23}$ A$^2$/$\sqrt{ extrm{Hz}}$ at $1\,$kHz at $4\,$K, which corresponds to a magnetic field sensitivity of $60$ nT/$\sqrt{ extrm{Hz}}$ in a background field of $0.15\,$T.

研究の動機と目的

• ショビニコフ＝ド・ハース振動を含まない低磁場領域における、懸濁グラフェン・コルビーノディスクの内在的磁気抵抗を調査すること。
• 長距離（クーロン不純物、リッピング）および短距離散乱が磁気抵抗を決定づける役割を特定すること。
• 観測された磁気抵抗の二次関数的B²依存性とその弱い温度依存性の起源を同定すること。
• 電荷中性点の磁場誘導シフトと、それがグラフェンにおけるスクリーニング物理学に与える意味を明らかにすること。
• 電流ノイズ測定を用いて、デバイスの磁場センサ性能を評価すること。

提案手法

• リフトオフレジスト（LOR）犠牲層法を用いて、高移動度（µmax ≈ 1–2×10⁵ cm²/Vs）を達成した懸濁グラフェン・コルビーノディスクを製作した。
• 低温度（4 Kおよび27 K）でのコルビーノ幾何学的測定を実施し、磁場は最大0.15 Tまで変動させた。
• R(Vg)データの立方スプライン補間を用いて、ドーピング電圧依存のディラック点とその磁場シフトを抽出した。
• 電流ノイズスペクトルを測定し、磁場感度を評価した。1 kHzおよび4 Kで10⁻²³ A²/√Hzのノイズを達成した。
• コルビーノディスク抵抗式 R(B) = (1/2π)ρxx(B) ln(rout/rin) を適用して、測定抵抗とバルク抵抗率を関連づけた。
• ゲート依存抵抗とキャリア密度を関連付け、ランドー準位のファンダイアグラムを用いて、ゲート容量 Cg = 1.5×10⁻⁵ F/m² を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低磁場領域における懸濁グラフェン・コルビーノディスクで観測された強い二次関数的磁気抵抗（B²）の起源は何か？
• RQ2 電荷中性点の位置が磁場増加に伴ってどのようにシフトするか？これはクーロン不純物のスクリーニングに何を示唆するか？
• RQ3 長距離および短距離散乱機構が、観測された磁気抵抗にどの程度寄与しているか？
• RQ4 磁気抵抗はキャリア密度にどのように依存するか？これは不純物の役割を明らかにするか？
• RQ5 懸濁グラフェンにおける内在的磁気抵抗は、高感度磁場センシングに応用可能か？

主な発見

• ディラック点において相対磁気抵抗は4000B²%に達し、30 K未満で弱い温度依存性を示すため、強固な内在的効果であると判明した。
• キャリア密度が |n| ≃ 3×10⁻¹⁰ cm⁻² に達すると、相対磁気抵抗が50%低下し、ドーピングが高くなるとB²応答が抑制されることを示した。
• ディラック点が1 Tあたり∆Vg = 5B Vシフトすることから、磁場が負に帯電したクーロン不純物のスクリーニングを変化させることを示した。
• 0.1 Tまでわずかな補正しかなく、磁気抵抗はB²依存性でよく記述され、長距離不純物に起因する量子補正が支配的であることを示唆した。
• 1 kHzで10⁻²³ A²/√Hzの電流ノイズは、0.15 Tの背景磁場下で4 Kで60 nT/√Hzの磁場感度に対応した。
• 電圧依存性が顕著でない（V<0とV>0の外挿値差が≤3%）ことから、輸送測定における高い線形性と低ノイズ性が確認された。