[논문 리뷰] Rectification by hydrodynamic flow in an encapsulated graphene Tesla valve

Johannes Geurs, Youngwook Kim외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 11.

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 수소화된 전자 흐름을 이용해 비대칭 전류를 실현하는 그래핀 기반 테슬라 밸브를 제시하며, 전자 점성 다이오드로 기능한다. 정류 현상은 수류 영역과 일치하는 실온 및 실온에서의 전자 농도에서 나타나며, 비탄성 또는 산란 영역에서는 사라지며, 모리 초격자 내에서 반데르발스 특이점에서의 리프시츠 전이와 관련되어 있으며, 이는 정류의 기원으로 점성 전자 흐름을 확인한다.

ABSTRACT

Systems in which interparticle interactions prevail can be described by hydrodynamics. This regime is typically difficult to access in the solid state for electrons. However, the high purity of encapsulated graphene combined with its advantageous phonon properties make it possible, and hydrodynamic corrections to the conductivity of graphene have been observed. Examples include electron whirlpools, enhanced flow through constrictions as well as a Poiseuille flow profile. An electronic device relying specifically on viscous behaviour and acting as a viscometer has however been lacking. Here, we implement the analogue of the Tesla valve. It exhibits nonreciprocal transport and can be regarded as an electronic viscous diode. Rectification occurs at carrier densities and temperatures consistent with the hydrodynamic regime, and disappears both in the ballistic and diffusive transport regimes. In a device in which the electrons are exposed to a Moiré superlattice, the Lifshitz transition when crossing the Van Hove singularity is observed in the rectifying behaviour.

연구 동기 및 목표

• 봉쇄된 그래핀에서의 수류 전자 흐름을 활용하여 전자 점성도계로 작동하는 장치를 실현하기 위해.
• 특히 비탄성 또는 산란 효과가 아닌 점성 전자 역학에 기인한 비대칭 전류—정류—를 입증하기 위해.
• 기계적 테슬라 밸브를 영감으로 삼은 기하학적으로 설계된 장치에서 전자 수류역학의 역할을 조사하기 위해.
• 특히 반데르발스 헤테로구조에서 전자 구조의 위상, 특히 모리 초격자 내에서 반데르발스 특이점에서의 리프시츠 전이가 점성 정류에 미치는 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 메인 채널과 기울인 측면 루프를 포함한 테슬라 밸브 기하구조를 가진 그래핀-hBN 헤테로구조 장치를 제작하여 비대칭 흐름 저항을 유도하였다.
• 이중 게이트 및 사변극 측정을 통해 전자 농도와 온도를 제어하고 수류 영역에 접근할 수 있도록 하였다.
• 비대칭 전류의 정량적 지표로 다이오드성(디오디시티)을 사용하였으며, 이는 $ D = (R_f - R_b)/(R_f + R_b) $ 로 정의되며, 여기서 $ R_f $ 와 $ R_b $ 은 정방향 및 역방향 저항이다.
• 패턴 가공 이전과 이후의 동일한 장치에서의 다이오드성을 비교하여 기하구조 유도 정류 효과를 내재적 또는 접촉 효과에서 분리하였다.
• 전자 농도와 온도에 따른 저항 및 다이오드성을 측정하여 수류 영역을 확인하고 정류 현상이 반데르발스 특이점에서의 반데르발스 특이점과 관련이 있음을 규명하였다.
• 기계적 테슬라 밸브의 유체역학 시뮬레이션을 수행하여 수류 메커니즘을 검증하고 전자 흐름 비대칭성의 해석을 안내하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 봉쇄된 그래핀에서의 수류 전자 흐름이 기하학적으로 설계된 장치에서 비대칭 전류를 유도할 수 있는가?
• RQ2 관측된 정류 현상이 비탄성 또는 산란 전류 영역에서 사라지는가? 이는 점성 전자 역학이 기원임을 확인하는가?
• RQ3 반데르발스 특이점에서의 리프시츠 전이가 모리 초격자 내에서 점성 정류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 정류 현상이 기하학적 효과인지, 반데르발스 헤테로구조 또는 접촉의 내재적 성질인가?
• RQ5 비대칭 기하구조에서 점성 전자 흐름을 이용하여 그래핀 기반 장치가 점성도계로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 테슬라 밸브 기하구조에서 정류 현상은 수류 영역에서 크게 향상되며, 80 K 및 구멍 농도 약 $-10 \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2}$ 에서 다이오드성이 최대 약 ~0.6에 도달하고, 비탄성 및 산란 영역에서는 사라진다.
• 장치는 약 80 K와 고구멍 농도에서 명확한 점성 정류 특성을 보이며, 이는 패턴 가공 이후에만 나타나므로 기하학적 기원임을 확인한다.
• 반데르발스 특이점에서의 리프시츠 전이와 관련된 모리 초격자 특성(비틀림 각도 1° 이하)을 반영하는 2차 딜라 피크 $ n \approx \pm 28 \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2} $ 를 관측하였고, 이는 정류 행동의 변화와 관련이 있다.
• 반데르발스 특이점에서의 리프시츠 전이가 점성 기여의 부호 변화와 직접적으로 연결되어 있음을 다이오드성 측정을 통해 확인하였다.
• 다이오드성은 일정 전류, 일정 전압, 그리고 차등 저항 측정 프로토콜 모두에서 뚜렷하게 유지되어 수류 정류 효과의 일관성을 확인하였다.
• 패턴 가공 이전의 정사각형 기하구조 장치에 대한 제어 실험에서는 전하 중성점 근처에서 온도에 영향을 받지 않는 약한 다이오드성이 관측되었으며, 이는 테슬라 밸브 기하구조에서의 강력한 정류 현상이 내재된 것이 아니라 기하학적 원인임을 확인한다.