[논문 리뷰] Asymmetric scattering of Dirac electrons and holes in graphene

Atikur Rahman, Janice Wynn Guikema외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 23.

Graphene research and applications참고 문헌 36인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고체계에서의 양자 간섭 노이즈가 디рак 점 주위로 비대칭적인데, 이는 짧은 범위의 불순물에 의한 상대론적 전자와 정공의 산란이 다르기 때문이다. 전도도와는 달리, 노이즈 측정은 위상 일관성 있는 산란 과정을 직접적으로 탐사하며, 노이즈 최소값은 진정한 전하 중성점임을 나타내어, STM과 전도도와 함께 그래핀에서 디рак 페르미온 산란을 연구하는 보완적인 방법을 제공한다.

ABSTRACT

The relativistic nature of Dirac electrons and holes in graphene profoundly affects the way they interact with impurities. Signatures of the relativistic behavior have been observed recently in scanning tunneling measurements on individual impurities, but the conductance measurements in this regime are typically dominated by electron and hole puddles. Here we present measurements of quantum interference noise and magnetoresistance in graphene pn junctions. Unlike the conductance, the quantum interference noise can provide access to the scattering at the Dirac point:it is sensitive to the motion of a single impurity, it depends strongly on the fundamental symmetries that describe the system and it is determined by the phase-coherent phenomena which are not necessarily obscured by the puddles. The temperature and the carrier density dependence of resistance fluctuations and magnetoresistance in graphene p-n junctions at low temperatures suggest that the noise is dominated by the quantum interference due to scattering on impurities and that the noise minimum could be used to determine the point where the average carrier density is zero. At larger carrier densities, the amplitude of the noise depends strongly on the sign of the impurity charge, reflecting the fact that the electrons and the holes are scattered by the impurity potential in an asymmetric manner.

연구 동기 및 목표

• 디рак 점 근처에서 그래핀 pn 접합에서의 양자 간섭 노이즈의 성격을 조사하기 위해.
• 특히 최소 전도도 영역에서, 노이즈가 짧은 범위의 불순물인지 장거리 불순물인지에 의해 지배되는지 규명하기 위해.
• 불순물이 있는 그래핀에서 전도도 최소값과 진정한 전하 중성점 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 양자 간섭 노이즈를 상대론적 디рак 페르미온 산란을 연구하는 데 있어 전도도와 STM의 보완적 탐사 수단으로 정립하기 위해.

제안 방법

• 250 mK에서 이중 게이트 단일층 그래핀 장치에서 저주파 저항 노이즈 및 자화율 저항 측정을 수행하였다.
• 접촉 효과를 최소화하고 고유의 전도 특성을 분리하기 위해 4점 측정 구성을 사용하였다.
• 백게이트와 톱게이트 전압을 별도로 적용하여 전자 및 정공 밀도를 조절하고, p-n-p 및 n-p-n 접합을 형성하였다.
• 노이즈 전력과 저항 변동성의 온도 및 게이트 전압 의존성을 분석하여 정적 및 동적 불순물 기여를 구별하였다.
• 디렉 시스템에서의 허위확산 전도 및 약한 국소화 이론 모델과 노이즈 행동을 비교하였다.
• 짧은 범위 산란체에 대한 STM 데이터와의 상관관계를 통해 짧은 범위 불순물의 역할을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디рак 점 근처에서 게이트 전압 조절에 대한 그래핀에서의 양자 간섭 노이즈는 전도도와 어떻게 다를까?
• RQ2 불순물이 있는 그래핀에서 양자 간섭 노이즈를 지배하는 불순물의 유형은 짧은 범위인가, 장거리인가?
• RQ3 왜 노이즈 최소값과 전도도 최대값이 일치하지 않는가? 이는 진정한 전하 중성점에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 그래핀에서의 상대론적 디랙 페르미온은 전자와 정공의 산란을 어떻게 비대칭적으로 이끌어내는가?
• RQ5 양자 간섭 노이즈는 불순물이 있는 그래핀에서 진정한 전하 중성점을 식별하는 데 신뢰할 수 있는 탐사 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 양자 간섭 노이즈는 게이트 전압에 대해 비단조화적이고 비대칭적인 의존성을 보이며, 최소값이 최대 저항과 일치하지 않음을 확인하여 별개의 물리적 기원을 지닌다.
• 진정한 전하 중성점은 전도도 최소값이 아니라 노이즈 최소값이며, 이는 평균 실체 밀도가 0이 되는 지점이다.
• 노이즈는 짧은 범위 불순물에 의한 산란에 의해 지배되며, 전자 풀 내에서 짧은 범위 산란체를 관측한 STM 결과와 일치한다.
• 게이트 전압에 대한 노이즈의 비대칭성은 동일한 짧은 범위 잠재력에 의한 전자와 정공의 다른 산란 확률을 반영하며, 상대론적 디랙 페르미온 행동의 특징이다.
• 고밀도 영역에서 음의 자화율 저항이 유지되며, 저온에서 노이즈와 저항이 증가함에 따라 관련성이 있으며, 짧은 범위 불순물 산란이 공통 기원임을 지지한다.
• 노이즈의 온도 의존성은 열적 불순물 변동성이 감소하는 바이어스에도 불구하고 낮은 온도에서 증가함을 보이며, 이는 고전적 열 노이즈가 아니라 위상 일관성 있는 양자 간섭의 기원임을 확인한다.