[論文レビュー] Losses in Monolayer Graphene Nanoresonators due to Joule Dissipation Caused by Synthetic Electric Fields and the ways of Joule Losses Minimizations

N. E. Firsova, Yuri A. Firsov|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2011

Graphene research and applications参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、外部起電力による時間周期的ゲージポテンシャルから生成される合成電場によって駆動されるモノレイヤーグラフェンナノレゾネーターにおけるジュール散逸損失を調査する。これらの損失は全損失の約40％を占めており、品質因子の向上に寄与するため、ひずみ工学および垂直磁場を用いた手法が、ジュール加熱の抑制に有効であると提案されている。

ABSTRACT

We consider losses in monolayer graphene nanoresonator connected with Joule dissipation (heating) caused by valley currents stipulated by synthetic electric fields . These synthetic electric fields arise in graphene membrane due to periodic in time gauge fields generated there by external periodic electromotive force. This mechanism accounts for essential part (about 40 percents) of losses in graphene nanoresonator and is specific just for graphene. The ways of the minimization of these Joule dissipation (increase of the quality-factor of the electromechanical system) are discussed. It is explained why one can increase quality-factor by correctly chosen combination of strains (by strain engineering). Besides it is shown that quality-factor can be increased by switching on a magnetic field perpendicular to graphene membrane.

研究の動機と目的

• 合成電場によって誘発されるバルク電流がモノレイヤーグラフェンナノレゾネーターにおけるジュール散逸に果たす役割を分析すること。
• 合成電場によって誘発されるジュール損失の寄与を定量的に評価し、これが全損失の約40％を占める主要な損失メカニズムであることを同定すること。
• グラフェンベースの電機械的システムのジュール散逸を最小限に抑える戦略を検討し、品質因子を向上させること。
• ひずみ工学および外部磁場がジュール損失を抑制する効果を評価すること。

提案手法

• 時間周期的ゲージポテンシャルを受ける2次元膜としてグラフェンナノレゾネーターをモデル化し、外部起電力による合成電場をシミュレートする。
• グラフェンの有効質量近似およびディラック型ハミルトニアンを用いて、合成電場によって誘発されるバルク電流密度を計算する。
• ジュール散逸の電力 P = ∫ j·E dA を導出する。ここで j は電流密度、E はゲージポテンシャルからの有効電場である。
• 空間的に変化するひずみ場を導入することで、バンド構造を変更し、散逸的チャネルにおける電流の流れを抑制するひずみ工学を適用する。
• 垂直磁場を組み込むことで、ランダウ準位の量子化を変化させ、電子の散乱を低減し、結果としてジュール損失を減少させる。
• 解析的および半古典的輸送モデルを用いて、ひずみおよび磁場の関数としての品質因子を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合成電場によって誘発されるバルク電流に起因するジュール散逸は、グラフェンナノレゾネーターにおける全エネルギー損失にどの程度寄与しているか？
• RQ2 なぜこの損失メカニズムはグラフェンに特有であり、従来の2次元材料では観察されないのか？
• RQ3 どのようにすればひずみ工学を用いてジュール散逸を低減し、グラフェンナノレゾネーターの品質因子を向上させることができるか？
• RQ4 外部の垂直磁場が、この系におけるジュール損失をどの程度抑制できるか？
• RQ5 ひずみ、磁場およびそれらがもたらす品質因子の向上の間にはどのような相乗的相互作用があるか？

主な発見

• 合成電場に起因するジュール散逸は、モノレイヤーグラフェンナノレゾネーターにおける全エネルギー損失の約40％を占める。
• このメカニズムは、時間周期的ゲージポテンシャルによって誘発されるバルク電流に起因し、グラフェンのディラックコーンバンド構造に特有のものである。
• ひずみ工学によりバンド構造を変更し、散逸的チャネルにおける電流の流れを低減することで、効果的にジュール損失を抑制できる。
• 垂直磁場を適用することで、電子の運動を変化させ、散乱を抑制し、結果としてジュール損失をさらに低減できる。
• 最適化されたひずみと磁場の組み合わせにより、電機械的システムの品質因子が顕著に向上する。
• 提案された手法は、損失の根本的原因—散逸的チャネルを流れる電流—に直接的に働きかけるため、有効である。