[논문 리뷰] Measurement of the electronic thermal conductance channels and heat capacity of graphene at low temperature

Kin Chung Fong, Emma E. Wollman외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 10.

Graphene research and applications참고 문헌 45인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 초민감한 마이크로파 노이즈 열측정법과 전기적 게이팅을 사용하여 저온에서 그래핀의 전자 열전도도와 비열을 측정한다. 고 doping 조건에서 전자-음향파 결합이 T² 거듭제곱 법칙을 따름을 입증하고, 불순물에 의한 결합 증강을 확인하며, Wiedemann-Franz 법칙 예측보다 32% 높은 로렌츠 수를 관측하여, 2차원 디랙 페르미온에서 비페르미 액체 거동이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The ability to transport energy is a fundamental property of the two-dimensional Dirac fermions in graphene. Electronic thermal transport in this system is relatively unexplored and is expected to show unique fundamental properties and to play an important role in future applications of graphene, including opto-electronics, plasmonics, and ultra-sensitive bolometry. Here we present measurements of bipolar, electron-diffusion and electron-phonon thermal conductances, and infer the electronic specific heat, with a minimum value of 10 $k_{ m{B}}$ ($10^{-22}$ JK$^{-1}$) per square micron. We test the validity of the Wiedemann-Franz law and find the Lorenz number equals $1.32 imes(π^2/3)(k_{ m{B}}/e)^2$. The electron-phonon thermal conductance has a temperature power law $T^2$ at high doping levels, and the coupling parameter is consistent with recent theory, indicating its enhancement by impurity scattering. We demonstrate control of the thermal conductance by electrical gating and by suppressing the diffusion channel using superconducting electrodes, which sets the stage for future graphene-based single microwave photon detection.

연구 동기 및 목표

• 300 mK에서 100 K 사이의 온도에서 그래핀의 전자 열전도도와 비열을 측정하기.
• 2차원 디랙 페르미온에서 Wiedemann-Franz 법칙의 타당성을 검증하고 로렌츠 수를 측정하기.
• 전자-음향파 결합과 열확산 열전도도의 온도 및 도핑 의존성 조사하기.
• 전기적 게이팅과 초전도 전극를 이용하여 열전도 채널 제어 가능성을 입증하기.
• 미래의 단일 마이크로파 광자 탐지기 및 초민감 열검출기 응용 가능성을 열기.

제안 방법

• 스펙트럼 감도 2 mK/√Hz인 초민감한 마이크로파 주파수 존슨 노이즈 열측정법을 사용하여 휴 suspended 그래핀 장치에서 전자 온도 측정.
• 저항에 의한 줄리 열을 가하고 열 반응을 측정하여 전자 확산( G_wf ) 및 전자-음향파 결합( G_ep ) 채널을 통한 열전도도 추출.
• 일반 금속 및 초전도체(NbTiN) 전극을 사용한 3가지 다른 장치 구성을 통해 열전도 메커니즘을 분리.
• 열전도도 데이터를 T, T², T^δ−1 등의 거듭제곱 법칙에 맞춰 피팅하여 온도 의존성과 결합 파rameter 추출.
• Wiedemann-Franz 법칙을 사용하여 G_wf 로부터 전자 비열 계산하고, G_wf = αL_meas T / R 식을 통해 로렌츠 수 추출.
• 전자 이동도와 페르미 에너지를 사용하여 평균 자유로움 길이와 불순물 온도 추정하고, 불순물이 있는 그래핀에서의 전자-음향파 결합 이론 모델과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온에서 그래핀의 전자-음향파 열전도도는 온도와 실리콘 농도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 전자 불순물이 그래핀에서 전자-음향파 결합을 얼마나 강화시키며, 이는 관측된 거듭제곱 법칙 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 그래핀에서 측정된 로렌츠 수는 얼마이며, Wiedemann-Franz 법칙 예측과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 그래핀의 전자 비열은 열전도도를 통해 직접 측정될 수 있는가? 그리고 저온에서의 최소값은 얼마인가?
• RQ5 초전도 전극과 전기적 게이팅을 통해 열확산을 억제하고 그래핀의 열전도를 어떻게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 300 mK에서 그래핀의 전자 비열은 10 × 10⁻²² J/K (10 k_B) 매 제곱 마이크론 단위로 최소값을 기록하며, 이는 이전 기록보다 9배 작다.
• 측정된 로렌츠 수는 1.32 × (π²/3)(k_B/e)²이며, Wiedemann-Franz 법칙 예측보다 32% 높아 표준 페르미 액체 거동에서의 이탈을 시사한다.
• 고도핑 조건에서 전자-음향파 열전도도는 T² 거듭제곱 법칙을 따르며, 최근 이론에서 예측한 불순물 산란에 의한 증강과 일치한다.
• 전자-음향파 결합 파라미터 Σ_ep 는 실리콘 농도에 따라 증가하며, 불순물 한계에서 스칼라 결합 메커니즘과 일치한다.
• 전기적 게이팅과 초전도 전극를 이용한 확산 채널 억제를 통해 열전도도 제어 가능하며, 이는 향후 단일 마이크로파 광자 탐지기 응용 가능성을 열어준다.
• 전자-음향파 냉각에서 전자 확산 냉각으로의 전이가 약 1 K 근처에서 발생하며, T² 및 T 의 다른 온도 의존성 덕분에 채널 간 명확한 분리가 가능하다.