[논문 리뷰] Phonon scattering dominated electron transport in twisted bilayer graphene

Hryhoriy Polshyn, Matthew Yankowitz외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 02.

Graphene research and applications참고 문헌 32인용 수 91

한 줄 요약

이 논문은 비틀림 이중층 그래핀(tBLG)에서 전자-포논 산란이 넓은 온도 범위에 걸쳐 수송을 지배하며, 뚜렷한 T-선형 저항성이 존재하고 그 기울기가 평평대 구조의 비틀림 각에 따라 추적되며, 음향 포논 산란과 축소된 페르미 속도에 의해 설명될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene (tBLG) has recently emerged as a platform for hosting correlated phenomena, owing to the exceptionally flat band dispersion that results near interlayer twist angle $θ\approx1.1^\circ$. At low temperature a variety of phases are observed that appear to be driven by electron interactions including insulating states, superconductivity, and magnetism. Electrical transport in the high temperature regime has received less attention but is also highly anomalous, exhibiting gigantic resistance enhancement and non-monotonic temperature dependence. Here we report on the evolution of the scattering mechanisms in tBLG over a wide range of temperature and for twist angle varying from 0.75$^\circ$ - 2$^\circ$. We find that the resistivity, $ρ$, exhibits three distinct phenomenological regimes as a function of temperature, $T$. At low $T$ the response is dominated by correlation and disorder physics; at high $T$ by thermal activation to higher moiré subbands; and at intermediate temperatures $ρ$ varies linearly with $T$. The $T$-linear response is much larger than in monolayer graphenefor all measured twist angles, and increases by more than three orders of magnitude for $θ$ near the flat-band condition. Our results point to the dominant role of electron-phonon scattering in twisted layer systems, with possible implications for the origin of the observed superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 꼬임 각도(0.75°–2.0°)와 온도에 따라 tBLG의 수송이 어떻게 진화하는지 조사한다.
• 온도 구간 전반에 걸친 우세한 산란 기작과 tBLG의 밴드 구조와의 관계를 확인한다.
• 음향 포논 산란이 평평 밴드 조건 근처에서 관찰되는 큰 T-선형 저항성을 설명할 수 있는지 평가한다.
• 고온에서 더 높은 모아이 서브밴드로의 활성화와 운송 특성 사이의 연결을 탐구한다.

제안 방법

• 0.75°에서 2.02° 사이의 꼬임 각도를 가진 tBLG 소자에서 넓은 온도 범위에 걸쳐 4단자 저항률 ρ(T)를 측정한다.
• 높은 온도 영역에서 더 높은 모아이 서브밴드로의 활성화를 분석하고 Arrhenius 적합으로 활성화 간격 Δ를 추출한다.
• 음향 포논 산란을 사용하여 T-선형 저항성을 모델링하고 ρ = (π F D_A^2)/(g e^2 ħ ρ_m v_F^2 v_ph^2) k_B T 의 형태로 나타내며 θ에 따른 v_F(θ)는 양자 진동으로 결정한다.
• 시우브니코프–데하스 진동의 온도 의존성으로부터 v_F(θ)를 결정하고 이를 θ에 대한 이론적 선형 의존성과 연관시킨다.
• 각 꼬임 각도와 밀도에서 dρ/dT를 비교하여 음향 포논 결합에서의 밴드 구조(평평한 밴드 근접)의 역할을 평가한다.
• 활성화 및 밴드갭 고려를 사용하여 고온 교차 온도 T_H를 해석하고(대역폭 및 하위대의 간극과의 관계를 해석한다).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 온도와 꼬임 각도에서 tBLG의 ρ(T)를 지배하는 주요 산란 기작은 무엇인가?
• RQ2 꼬임 각도와 운반자 밀도에 따른 T-선형 저항성 기울기 dρ/dT의 의존성은 어떻게 되며 음향 포논 산란으로 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ3 고온에서 더 높은 모아이 서브밴드로의 열 활성화가 수송에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 평평한 밴드 영역에서 v_F(θ)가 운송에 어떤 영향을 미치며 실험적 v_F(θ)가 이론적 선형 의존성을 설명하는가?
• RQ5 관찰된 고온 수송 특성은 tBLG의 초전도성에 포논 매개 기전을 시사하는가?

주요 결과

• tBLG의 저항은 세 가지 뚜렷한 온도 구간을 보인다: 저온은 상관관계/무질서 주도, 중온은 T에 대해 선형인 거동, 고온은 활성화 주도 거동.
• T-선형 영역은 꼬임 각도(0.75°–2.02°)와 가장 낮은 모아이 서브밴드 내의 운반체 밀도에서 보편적이며, dρ/dT는 단일층 그래핀보다 현저히 크고 평평 밴드 각도 근처에서 최고에 이른다(약 1.1°).
• 고온 피크 온도 TH는 분산되는 더 높은 모아이 서브밴드로의 열 활성화가 의미 있게 되는 지점을 추적하며, 대역폭과 더 높은 서브밴드를 고립시키는 간극과 상관된다.
• 관찰된 T-선형 기울기는 음향 포논 산란에 의해 잘 설명되며 식 ρ ∝ D_A^2/(v_F^2 v_ph^2)이고, D_A/v_ph가 단일층 그래핀에 비해 증가하면 정량적 일치도가 좋아지며 매직 각 근처에서의 축소된 v_F와 일치한다.
• 페르미 속도 v_F(θ)는 평평한 밴드 각도에서 멀어질수록 대략 선형으로 증가하며, 실험적 추출은 v_F(θ) ≈ (0.37±0.12)×(θ−1.05°)×10^6 m/s 를 지지한다.
• 더 높은 모아이 서브밴드로의 활성화는 일반적으로 30–90 meV이고 매직 각도 근처에서 가장 작은 간극으로 고온 수송 특성을 촉진한다.
• dρ/dT로부터 추정된 수송 전자-포논 결합 λ_tr은 합리적인 매개변수 선택 하에서 차수로 단위와 같을 수 있어 포논이 tBLG의 초전도성에 기여할 수 있음을 시사한다.