[論文レビュー] A unified description of the dc conductivity of monolayer and bilayer graphene based on resonant scatterers

Aires Ferreira, José Viana‐Gomes+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2010

Graphene research and applications被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、表面に吸着した炭化水素に起因する強い短距離ポテンシャルによる散乱をモデル化することで、モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯における直流電導度の統一的理論的記述を提示する。部分波展開およびT行列形式を用い、散乱処理の等価性を確立し、バイアスがかかるバイレイヤー石墨烯の直流電導度を導出。両システムに共通する一貫した散乱メカニズムが明らかになった。

ABSTRACT

We show that a coherent picture for the DC conductivity of monolayer and bilayer graphene emerges from considering that strong short-range potentials are the main source of scattering in these two systems. The origin of the strong short range potentials may lie in adsorbed hydrocarbons at the surface of graphene. The equivalence between results based on the partial wave description of scattering and the T-matrix approach is established. The scattering formalism for electrons in a biased bilayer graphene is developed and the DC conductivity of that system is studied.

研究の動機と目的

• モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯における直流電導度の理解を、共通の散乱メカニズムの下で統一すること。
• 表面に吸着した炭化水素に起因する可能性のある強い短距離ポテンシャルが、両システムにおいて主要な散乱源であることを特定すること。
• グラフェンにおける電子散乱に関して、部分波法とT行列形式の間の等価性を確立すること。
• バイアスがかかるバイレイヤー石墨烯に適用可能な散乱形式を構築し、その直流電導度を計算すること。
• 異なるグラフェンバイレイヤー構造間の輸送特性を結びつける一貫した理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 主な散乱メカニズムとして強い短距離ポテンシャルを用いて電子散乱をモデル化すること。
• モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯における散乱を記述するために部分波展開法を適用すること。
• T行列形式を用いて散乱を扱い、部分波結果と一貫した比較を可能にすること。
• 線形応答領域におけるKubo公式を用いて散乱断面積から電導度を導出すること。
• バイレイヤー石墨烯に外部バイアスを含める形式の拡張を行い、その電導度への影響を分析すること。
• 同一の散乱ポテンシャルに対して、部分波法とT行列形式の間の数学的等価性を確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯における直流電導度を決定づける主要な散乱メカニズムは何か？
• RQ2 部分波法とT行列形式は、グラフェンにおける電子散乱をどのように比較して記述するか？
• RQ3 モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯システムにおいて、直流電導度の統一的記述を達成できるか？
• RQ4 短距離散乱下でのバイアスがバイレイヤー石墨烯の直流電導度に与える影響は何か？
• RQ5 表面に吸着した炭化水素は、観察された短距離散乱ポテンシャルを生成する役割を果たすか？

主な発見

• 表面に吸着した炭化水素に起因する可能性の高い強い短距離ポテンシャルが、モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯の両方で主要な散乱メカニズムとして特定された。
• 部分波法とT行列形式は、グラフェンにおける電子散乱に関して等価な結果をもたらし、理論的枠組みの一貫性が裏付けられた。
• 短距離散乱を考慮した場合、モノレイヤーおよびバイレイヤー石墨烯における直流電導度の統一的記述が得られた。
• 形式はバイアスがかかるバイレイヤー石墨烯の直流電導度をうまく記述でき、バンド構造の変更が輸送に与える影響が明らかになった。
• 結果から、グラフェンの内在的散乱は長距離秩序の欠如よりも、局所的な短距離不純物に支配されている可能性が示唆された。
• 散乱形式の等価性により、二次元グラフェン系における輸送の堅牢で柔軟な解析が可能になった。